薛志博，楊金俠，由寶財(cái)

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽110015；2.中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽110016）

0 引言

渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵部件，其性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能和可靠性[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片在工作過程中除承載著轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力、氣動(dòng)產(chǎn)生的彎矩和軸向力以及溫度差產(chǎn)生的熱應(yīng)力外，還承載因強(qiáng)迫振動(dòng)或自激振動(dòng)引起的共振載荷[2-4]，在工作中所產(chǎn)生的振動(dòng)疲勞失效是葉片主要失效形式之一，因此，對渦輪葉片振動(dòng)疲勞壽命進(jìn)行研究對保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常穩(wěn)定工作具有重要意義。

在國內(nèi)外針對渦輪葉片振動(dòng)疲勞性能開展了相關(guān)研究。葉能永等[5]通過模擬分析某型高溫合金葉片在振動(dòng)疲勞試驗(yàn)過程中的動(dòng)力學(xué)應(yīng)力響應(yīng)，獲得葉片在共振時(shí)應(yīng)力幅值隨時(shí)間改變的變化規(guī)律，分析了殘余應(yīng)力和粗糙度對葉片振動(dòng)疲勞壽命和疲勞極限的影響；張東明等[6]采用電感應(yīng)加熱法加熱和電磁振動(dòng)臺(tái)施加振動(dòng)載荷等方式，提出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)方法；Massimo 等[7]通過對渦輪葉片振動(dòng)疲勞影響因素的研究，提出了可用于預(yù)測葉片疲勞壽命的有限元模型。

為研究某型航改燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力渦輪葉片振動(dòng)疲勞性能，評估葉片制造工藝，對動(dòng)力渦輪工作葉片和導(dǎo)向葉片進(jìn)行振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，采用升降法測試葉片疲勞極限，并開展了葉片冶金分析等試驗(yàn)研究工作，分析和探討了冶金質(zhì)量等對葉片疲勞性能的影響。

1 葉片振動(dòng)疲勞試驗(yàn)

工作葉片和導(dǎo)向葉片材料均為K438 高溫合金。K438 合金是鎳基沉淀硬化型高溫合金，其成分、性能與國外的IN738 合金相當(dāng)[8]。該合金具有良好的組織穩(wěn)定性、高溫強(qiáng)度及抗腐蝕性，廣泛用于艦船、工業(yè)地面及燃?xì)廨啓C(jī)的長壽命渦輪葉片[9-12]。為進(jìn)一步提高葉片抗腐蝕能力，工作葉片表面噴涂SKHC-9 涂層，導(dǎo)向葉片表面滲鋁硅。

利用升降法測試葉片疲勞極限，具體試驗(yàn)方法為：采用專用工裝對葉片一端施加頂緊力和夾持力，通過檢測應(yīng)變得到葉片最大應(yīng)力點(diǎn)，并標(biāo)定最大點(diǎn)應(yīng)力與葉尖振幅的關(guān)系，最終通過檢測葉尖振幅控制應(yīng)力。試驗(yàn)結(jié)果顯示，工作葉片疲勞極限約為250 MPa；導(dǎo)向葉片疲勞最低僅為90 MPa。動(dòng)力渦輪工作葉片與導(dǎo)向葉片振動(dòng)疲勞性能差異較大，導(dǎo)向葉片疲勞極限較低。

2 葉片檢查與分析結(jié)果

2.1 表面狀態(tài)檢查

對葉片進(jìn)行熒光檢查，葉身部位除疲勞試驗(yàn)產(chǎn)生的裂紋外未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，而裂紋多產(chǎn)生于進(jìn)排氣邊且靠近“葉根”位置，如圖1 所示。

圖1 葉片裂紋熒光顯示

對葉片表面進(jìn)行腐蝕，檢查葉片晶粒度。工作葉片葉身經(jīng)細(xì)晶處理，葉身表面晶粒細(xì)小均勻，晶粒度小于1 級(jí)；葉身中部（澆口處）、葉冠和榫頭處晶粒較粗大，晶粒度為5 級(jí)。導(dǎo)向葉片表面未經(jīng)細(xì)晶處理，晶粒明顯粗大，晶粒度為5 級(jí)或5 級(jí)以上。此外，工作葉片和導(dǎo)向葉片葉身進(jìn)排氣邊均存在橫向的柱狀晶區(qū)，如圖2 所示。

圖2 葉片表面晶粒度分布

2.2 內(nèi)部冶金質(zhì)量檢查

對葉片進(jìn)行X 光檢查，未探測出超標(biāo)缺陷，在工作葉片和導(dǎo)向葉片內(nèi)部缺陷等級(jí)上無明顯差別。解剖葉片檢查發(fā)現(xiàn)葉片葉身不同截面顯微疏松，工作葉片和導(dǎo)向葉片葉身的顯微疏松分布與含量無明顯差別，為1～2 級(jí)，局部較重部位為3～4 級(jí)，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖3 所示。檢查葉片不同截面晶粒度，內(nèi)部晶粒都在5 級(jí)左右，如圖4 所示。

圖3 葉片顯微疏松分布

圖4 葉身內(nèi)部晶粒度

2.3 斷口分析

選取部分工作葉片和導(dǎo)向葉片，沿裂紋將斷口打開，工作葉片和導(dǎo)向葉片斷口形貌特征相近，斷口較平坦，呈銀白色，隱約可見疲勞弧線及放射棱線形貌，表明斷口為疲勞斷口。根據(jù)疲勞弧線的方向判斷，疲勞起源于葉片前緣表面和次表面區(qū)域，位置如圖5（a）、（b）中標(biāo)記區(qū)域所示，裂紋放大形貌如圖5（c）、（d）所示。細(xì)密的疲勞條帶可以進(jìn)一步表明該斷口的疲勞屬性。此外，工作葉片和導(dǎo)向葉片裂紋微觀形貌均可見顯微疏松缺陷，如圖6 所示。

圖5 葉片裂紋斷口整體形貌

圖6 葉片裂紋斷口疏松分布

2.4 組織分析

在工作葉片葉根取樣進(jìn)行組織分析，葉根組織如圖7 所示。從圖中可見，組織中枝晶間和枝晶干區(qū)域γ′相細(xì)小均勻，碳化物彌散分布在晶界、枝晶間區(qū)，未觀察到TCP 相。

圖7 工作葉片葉根組織結(jié)構(gòu)

在導(dǎo)向葉片葉身中部取樣進(jìn)行組織分析，組織結(jié)構(gòu)如圖8 所示。從圖中可見，組織中枝晶干區(qū)域γ′相細(xì)小均勻，枝晶間γ′相粗大，碳化物彌散分布在晶界、枝晶間區(qū)。在局部區(qū)域觀察到針狀TCP 相。

圖8 導(dǎo)向葉片葉身中部組織結(jié)構(gòu)

2.5 葉身取樣疲勞性能測試

分別沿工作葉片和導(dǎo)向葉片葉身縱向切取力學(xué)性能試樣，進(jìn)行常溫下高周拉-拉疲勞試驗(yàn)，試樣尺寸如圖9 所示。試驗(yàn)方法按GB/T 3075-2008 標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)力比為0.1，試驗(yàn)結(jié)果見表1。從表中可見，在同一應(yīng)力狀態(tài)下，工作葉片循環(huán)周次明顯高于導(dǎo)向葉片的。

圖9 高周疲勞試樣

表1 高周疲勞性能

3 分析與討論

由斷口分析可知，葉片裂紋斷口平坦光滑，可見疲勞弧線及放射棱線，表明葉片裂紋的性質(zhì)為高周疲勞裂紋。鑒于工況環(huán)境惡劣、溫度高、交變載荷大、要求使用壽命長的原因，渦輪葉片成為對疲勞性能要求最高的零件之一[13]。通常零件疲勞強(qiáng)度受很多因素影響，如零件表面狀態(tài)、內(nèi)部冶金質(zhì)量、材料本身的組織結(jié)構(gòu)等，在制造過程中葉片的材質(zhì)、冶金加工工藝、加工殘余應(yīng)力、加工使用環(huán)境等因素變化均會(huì)影響零件疲勞性能[14]。

通過對工作葉片和導(dǎo)向葉片進(jìn)行表面狀態(tài)檢查、內(nèi)部冶金質(zhì)量檢查、斷口分析、組織分析和對比可知，二者間在表面缺陷、內(nèi)部缺陷、顯微疏松等方面不存在明顯差異，主要差異為：

（1）工作葉片表面噴涂SKHC-9 涂層，導(dǎo)向葉片滲鋁硅；

（2）工作葉片表面晶粒度更細(xì)；

（3）導(dǎo)向葉片枝晶間γ′相粗大，在局部區(qū)域存在針狀TCP 相。

在滲鋁硅過程中葉片表面形成的鋁化物涂層硬度較高，脆性大，承受交變應(yīng)力作用的能力較差，影響葉片的疲勞強(qiáng)度。研究表明，隨滲鋁次數(shù)的增加，葉片的疲勞強(qiáng)度呈降低趨勢，但1 次滲鋁對疲勞性能影響較小，疲勞強(qiáng)度只降低1%左右[4]，本文分析是對導(dǎo)向葉片采用1 次滲鋁硅，其對葉片疲勞性能的影響較小。

高溫合金渦輪葉片通常晶粒比較粗大，以保證材料在高溫下具有良好的抗蠕變性能，但晶粒粗大會(huì)導(dǎo)致疲勞性能降低。為此，在具有粗大晶粒的零件表面形成1 薄層細(xì)小晶粒組織，有助于提高葉片抗疲勞性能。工作葉片由于采用表面細(xì)晶熔模鑄造工藝，葉片表面晶粒經(jīng)過細(xì)化，在一定程度上提高了葉片的抗疲勞性能[15-17]。

在原材料熔煉過程中加入返回料會(huì)對組織造成影響，引起組織粗大和TCP 相的析出，進(jìn)而影響材料的力學(xué)性能[18-24]。本文分析所使用葉片均為新生產(chǎn)葉片，未經(jīng)過長期時(shí)效處理過程。在葉片實(shí)際生產(chǎn)過程中，工作葉片未使用返回料。為降低成本，導(dǎo)向葉片使用了一定比例的返回料，是導(dǎo)致γ′相粗大和TCP 相析出的主要原因。

葉身取樣力學(xué)性能測試結(jié)果顯示，工作葉片疲勞性能優(yōu)于導(dǎo)向葉片的，力學(xué)性能試樣不受葉片表面細(xì)晶和滲鋁硅影響，因此，組織上的差異是工作葉片和導(dǎo)向葉片力學(xué)性能試樣疲勞性能差異的主要原因。而在葉片制造過程中鑄造工藝流程長，受原材料質(zhì)量、陶瓷型芯制造、模殼質(zhì)量、澆鑄方式等因素影響，容易造成疏松、夾雜、偏析等缺陷，另外在機(jī)械加工過程中的表面完整性，也會(huì)導(dǎo)致成品質(zhì)量一致性相對較差，疲勞強(qiáng)度分散[25]。

4 結(jié)論

（1）工作葉片和導(dǎo)向葉片裂紋均為靠近“葉根”進(jìn)排氣邊處的疲勞裂紋；

（2）工作葉片和導(dǎo)向葉片表面和內(nèi)部缺陷均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，內(nèi)部晶粒度和顯微疏松等級(jí)相當(dāng)；

（3）細(xì)化葉片表面晶粒，可以一定程度地提高葉片的抗疲勞性能；

（4）導(dǎo)向葉片葉身表面晶粒較粗、枝晶間γ'相粗化及局部區(qū)域存在TCP 相，上述差異是工作葉片和導(dǎo)向葉片力學(xué)性能試驗(yàn)疲勞性能差異的主要原因。