孫紅梅，陳 飛，王曉娟，李國(guó)娜，樂金勇

(中國(guó)人民解放軍第五七一三工廠，湖北 襄陽 441002)

0 引言

渦輪葉片作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件，在工作中承受熱負(fù)荷、離心力、氣流力以及振動(dòng)交變負(fù)荷等的交互作用［1］。某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪工作葉片(以下簡(jiǎn)稱高渦葉片)工作一個(gè)翻修期后，葉冠表面產(chǎn)生磨損、腐蝕坑、起皮、冷作硬化等損傷(圖1)，修理時(shí)需在葉冠處堆焊耐磨層。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該型發(fā)動(dòng)機(jī)服役一個(gè)翻修期后，高渦葉片葉冠故障率達(dá)20%以上。

圖1 高渦葉片葉冠結(jié)構(gòu)及損傷部位Fig.1 High pressure turbine blade and damage positio

高渦葉片葉冠按規(guī)定的工藝流程修復(fù)并經(jīng)熒光探傷未發(fā)現(xiàn)有裂紋，但試車后熒光檢測(cè)發(fā)現(xiàn)部分高渦葉片在葉冠焊接熱影響區(qū)(以下稱為HAZ)有裂紋。飛行過程中，裂紋將可能導(dǎo)致葉冠掉塊，打傷渦輪葉片及后面的零部件，造成等級(jí)事故。共統(tǒng)計(jì)400片修理合格未經(jīng)試車的葉片，發(fā)現(xiàn)14片存在裂紋，故障率約為3.5%，嚴(yán)重威脅飛行安全。

本研究采用金相顯微鏡、掃描電鏡觀察葉冠裂紋及斷面形態(tài)，分析葉冠材料、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定裂紋原因，采取針對(duì)性措施來預(yù)防同類故障再次發(fā)生;通過冷熱循環(huán)試驗(yàn)，確定裂紋的基本擴(kuò)展方向，論證出現(xiàn)裂紋的葉片使用可靠性。這些工作不但為該型發(fā)動(dòng)機(jī)大修質(zhì)量提供技術(shù)依據(jù)，對(duì)其它同類工藝結(jié)構(gòu)渦輪葉片的修復(fù)也有著重要借鑒意義。

1 高壓渦輪葉片材料及工藝分析

高壓渦輪葉片材料為K403，該合金是廣泛應(yīng)用的鎳基鑄造高溫合金，用多種金屬元素綜合強(qiáng)化，具有較高的高溫強(qiáng)度［2］。其焊接性差，焊接時(shí)極易產(chǎn)生熱裂紋，焊接裂紋傾向性約為35.2%，一般不用于焊接結(jié)構(gòu)［3］;K403合金是以鋁鈦為主的沉淀強(qiáng)化鎳基合金，合金組織中γ＇相的體積分?jǐn)?shù)高，焊后殘余應(yīng)力較大，在時(shí)效過程中或工作溫度高于時(shí)效溫度時(shí)易產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效裂紋。葉片基體的硬度約為 HRC 38，狀態(tài)為鑄態(tài)［4］;堆焊合金材料為鈷鉻鎢合金，堆焊耐磨層硬度為HRC45.9～48.9。

高壓渦輪葉片修理工藝路線為:磨削→堆焊→磨削→焊后退火→熒光探傷→測(cè)頻→配重→裝配→試車。其堆焊方法為鎢極氬弧焊，焊接電流為7～15 A。焊后退火工藝為980℃，2 h;試車時(shí)葉冠部位溫度約750～830℃，2 h。

2 裂紋缺陷觀察與成因分析

2.1 裂紋產(chǎn)生時(shí)機(jī)及形態(tài)分析

為了初步判斷葉片裂紋產(chǎn)生階段，利用高靈敏度熒光檢測(cè)，對(duì)已修理并經(jīng)熒光檢測(cè)合格的葉片進(jìn)行再次檢測(cè)。結(jié)果表明:經(jīng)過30～50天自然時(shí)效后，有3.5%的葉片出現(xiàn)延遲裂紋。即裂紋在焊后沒有立即出現(xiàn)，而是在經(jīng)過自然時(shí)效或熱時(shí)效后顯現(xiàn)。

裂紋位于HAZ和焊縫熔合區(qū)，為細(xì)小的橫向裂紋，長(zhǎng)度為0.2～0.4mm，裂紋中部較為粗壯，兩端尖細(xì)，與焊縫夾角為60°～90°，分別向焊縫和葉身方向延伸，裂紋的走向及位置見圖2。

圖2 金相顯微鏡和掃描電鏡觀察的裂紋形貌Fig.2 Morphology of welding cracks

2.2 裂紋斷口觀察

特定的顯微結(jié)構(gòu)在特定的外界條件下有特定的斷裂機(jī)制和微觀形貌特征［5］。按裂紋發(fā)現(xiàn)的順序，用體視顯微鏡分別觀察試車前后葉片裂紋斷口形態(tài)，如圖3所示。

試車后的裂紋斷面為藍(lán)色，采用丙酮及乙醇清洗無法去除，為氧化色(圖3a)，這表明裂紋是高于600℃的高溫環(huán)境中擴(kuò)展或產(chǎn)生。葉片自修理后至發(fā)現(xiàn)裂紋，期間共經(jīng)歷焊后退火和工試2個(gè)高溫狀態(tài)，裂紋可能產(chǎn)生于焊后退火過程中、退火后試車前、試車過程中。

觀察試車前的裂紋，其斷面有氧化現(xiàn)象且具有金屬光澤，約有0.3mm ×0.6mm，范圍顏色為深藍(lán)色，有0.3mm×1mm范圍顏色為黃色，有0.5mm×1mm范圍略帶淺黃色(圖3b)。這說明裂紋形成于退火前或退火過程中。

圖3 高壓渦輪葉片工試前后裂紋宏觀斷口形貌Fig.3 Macro－appearance of the fracture surfaces of No.1 aero engine high pressure turbine blade

采用掃描電鏡觀察并配合能譜分析退火后試車前裂紋整個(gè)斷口的形貌，發(fā)現(xiàn)裂紋斷口粗糙，有明顯的脊，呈河流狀花樣;斷裂起始部位有明顯韌窩和氧化產(chǎn)物，裂紋為脆性斷裂(圖4)。

斷口處未見有重熔、邊界熔化及結(jié)晶的情況，可排除熱裂紋和液化裂紋的可能;裂紋斷面未發(fā)現(xiàn)疲勞斷裂特征，未見氣孔、夾雜等焊接缺陷，說明裂紋不是疲勞裂紋，也不是在基體材料冶金缺陷的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。

2.3 裂紋金相顯微觀察

觀察14片故障葉片，裂紋處于HAZ的有13片，處于焊縫熔合區(qū)的有1片。裂紋擴(kuò)展路徑由HAZ部位沿晶界分別向焊縫和基體(非HAZ)擴(kuò)展;伸入焊縫的裂紋則沿枝晶邊界向焊縫內(nèi)部擴(kuò)展(圖5)。堆焊焊縫為粗大的枝狀晶組織，焊縫未見內(nèi)部裂紋。

應(yīng)變時(shí)效裂紋是γ＇相強(qiáng)化高溫合金采用焊后熱處理釋放殘余應(yīng)力和優(yōu)化組織性能時(shí)容易產(chǎn)生的一種裂紋，也稱再熱裂紋或焊后熱處理裂紋［6－8］。這種裂紋一般是宏觀裂紋，具有沿晶特征，裂紋通常發(fā)生在熱影響區(qū)，并向非熱影響區(qū)擴(kuò)展［9］。

圖4 渦輪葉片葉冠裂紋斷口微觀形貌圖(未試車)Fig.4 Fracture surface features of No.2 aero－engine high pressure turbine blade(before commissioning)

圖5 葉片葉冠裂紋金相圖(未試車)Fig.5 Welding cracks morphology of No.2 aero－engine high pressure turbine blade(before commissioning)

綜合以上分析，確定裂紋為應(yīng)變時(shí)效裂紋，該裂紋在焊后時(shí)效過程中產(chǎn)生。K403高溫合金980℃時(shí)效后，合金的抗拉強(qiáng)度和室溫硬度均降低［10］。由于焊接熱循環(huán)的作用，焊縫及其 HAZ存在焊后殘余應(yīng)力;隨后在磨削和自然時(shí)效過程中也會(huì)產(chǎn)生磨削應(yīng)力和時(shí)效應(yīng)力。在焊后熱處理或工試時(shí)，焊接和磨削殘余應(yīng)力雖然部分釋放，但同時(shí)γ＇相快速析出，產(chǎn)生時(shí)效應(yīng)力，合金韌性降低，基體點(diǎn)陣常數(shù)減少出現(xiàn)凈收縮［9］。在約束情況下，這種收縮導(dǎo)致出現(xiàn)高應(yīng)力，進(jìn)一步加劇了材料應(yīng)力/應(yīng)變集中。應(yīng)變集中在過熱區(qū)晶粒邊界上，當(dāng)晶界變形能力不足以承受金屬內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)變時(shí)，就產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效裂紋［9］。在時(shí)效應(yīng)力的影響下或試車?yán)錈嵫h(huán)產(chǎn)生的應(yīng)力作用下，微裂紋發(fā)生擴(kuò)展，形成可以通過熒光探傷檢查出來的宏觀裂紋，這也解釋了經(jīng)過30～50天存放后對(duì)葉片再次進(jìn)行無損檢測(cè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象。

3 工藝排查及調(diào)整

根據(jù)裂紋產(chǎn)生原因，重新對(duì)葉片堆焊、磨削及熱處理工藝進(jìn)行排查梳理。發(fā)現(xiàn)焊接工序至焊后退火工序時(shí)間過長(zhǎng)，一般為10天左右;粗磨時(shí)進(jìn)刀量較大，堆焊部位存在飛邊。

為解決葉片裂紋故障，工廠優(yōu)化堆焊工藝并調(diào)整工藝路線。為了防止裂紋的產(chǎn)生，減小堆焊層焊接應(yīng)力，焊前必須預(yù)熱［9－11］。因此工廠增加焊前預(yù)熱和焊后緩冷措施，盡量減小焊接殘余應(yīng)力;調(diào)整工藝流程，焊后立即進(jìn)行去應(yīng)力退火，降低焊接殘余應(yīng)力，避免產(chǎn)生裂紋;控制葉片磨削進(jìn)刀量，以減小磨削應(yīng)力，避免早期顯微裂紋。工廠利用90片試驗(yàn)葉片由新工藝路線堆焊修理，經(jīng)2次試車并熒光檢查，未再出現(xiàn)焊后裂紋現(xiàn)象。

4 冷熱循環(huán)試驗(yàn)

高壓渦輪葉片葉冠部位在工作時(shí)承受徑向力(離心力)、葉片間擠壓力、冷熱循環(huán)引起的交變應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力等。按其受力方向可知，徑向力與裂紋平面垂直，不會(huì)對(duì)裂紋擴(kuò)展起促進(jìn)作用;葉片間擠壓力與裂紋在同一平面，但其方向與裂紋方向基本一致，對(duì)裂紋擴(kuò)展貢獻(xiàn)小;振動(dòng)應(yīng)力主要是由氣動(dòng)力和發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)引起的，其振動(dòng)方向與裂紋方向平行或與裂紋平面垂直的，因此對(duì)裂紋擴(kuò)展貢獻(xiàn)不大。冷熱循環(huán)引起的交變應(yīng)力與裂紋同平面，其方向與裂紋方向垂直且不斷變化，是造成裂紋擴(kuò)展的主要驅(qū)動(dòng)力。因此，只要找到冷熱循環(huán)應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響規(guī)律，即可了解葉冠裂紋對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的危害。

發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，葉冠部位工作溫度約為750～830℃，工作結(jié)束空冷至室溫的時(shí)間不低于0.5 h。為盡快獲得裂紋擴(kuò)展的規(guī)律，確定試驗(yàn)條件為:將葉片加溫至900～950℃保溫5～10 min，然后快速取出葉片并放入室溫(約15℃)流動(dòng)水中急冷，這樣為一個(gè)冷熱循環(huán)，冷熱循環(huán)試驗(yàn)條件比正常工作更惡劣。使用12片葉片進(jìn)行冷熱循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)前在顯微鏡下測(cè)量其原始裂紋長(zhǎng)度，共循環(huán)100 次，在第10、20、40、60、80、100 次時(shí)測(cè)量其裂紋長(zhǎng)度(圖6)，計(jì)算裂紋擴(kuò)展速率。

急劇冷熱循環(huán)帶來的應(yīng)力與葉冠內(nèi)部應(yīng)力疊加，使得裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，試驗(yàn)結(jié)果見表1。裂紋擴(kuò)展速率于試驗(yàn)溫度950℃時(shí)有顯著提高并在遠(yuǎn)離焊縫和HAZ的部位產(chǎn)生大量新裂紋，這說明該溫度下冷熱循環(huán)已經(jīng)嚴(yán)重超出葉冠的承受能力。整體來看，裂紋擴(kuò)展速率隨冷熱循環(huán)次數(shù)的增加，呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)榱鸭y擴(kuò)展使葉冠內(nèi)部應(yīng)力得到釋放，裂紋驅(qū)動(dòng)力逐漸以冷熱循環(huán)產(chǎn)生的交變應(yīng)力為主。

圖6 冷熱循環(huán)試驗(yàn)中的最長(zhǎng)裂紋Fig.6 The longest cracks after cold－thermal cycling

表1 冷熱循環(huán)結(jié)果Table 1 Results of cold－thermal cycle

從裂紋走向來看，新生裂紋及原來裂紋的擴(kuò)展方向均基本垂直于焊縫，向冷卻孔擴(kuò)展(圖6c)，但其中有一片在其葉冠邊緣出現(xiàn)裂紋且其擴(kuò)展方向朝向葉冠外側(cè)，具很大掉塊風(fēng)險(xiǎn)(圖7)。

圖7 高渦葉片葉冠邊緣裂紋Fig.7 Outside crack of high pressure turbine blade

5 結(jié)論

1)裂紋產(chǎn)生直接原因是工藝路線和工藝參數(shù)設(shè)置不合理，使焊接及磨削殘余應(yīng)力未及時(shí)消除，為裂紋產(chǎn)生提供了必要條件。在焊后時(shí)效過程中，合金韌性降低，時(shí)效組織應(yīng)力與焊接、磨削殘余應(yīng)力疊加，導(dǎo)致應(yīng)變集中在過熱區(qū)的晶粒邊界上，產(chǎn)生了應(yīng)變時(shí)效裂紋。

2)增加焊前預(yù)熱和焊后緩冷措施減小焊接殘余應(yīng)力;焊后立即退火，進(jìn)一步降低焊接殘余應(yīng)力;控制磨削進(jìn)刀量，減小磨削應(yīng)力，避免早期顯微裂紋。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，貫徹這些措施后有效預(yù)防了同類故障再次發(fā)生。

3)冷熱循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明:在正常工作過程中裂紋擴(kuò)展速度緩慢，其擴(kuò)展方向?yàn)榇怪庇诤缚p并向冷卻孔方向擴(kuò)展，一般不會(huì)形成封閉裂紋，造成葉冠掉塊。但葉冠邊緣產(chǎn)生的裂紋有向葉冠外側(cè)擴(kuò)展傾向，可能造成掉塊，影響飛行安全。

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