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        DD6 合金渦輪葉片裂紋失效分析

        2021-01-12 03:48:24張開闊佟文偉李艷明
        航空發(fā)動(dòng)機(jī) 2020年6期
        關(guān)鍵詞:內(nèi)腔再結(jié)晶渦輪

        劉 歡,張開闊,佟文偉,李艷明

        (中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所,沈陽110015)

        0 引言

        在航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中,渦輪葉片承受氣動(dòng)載荷、振動(dòng)載荷、離心載荷和熱載荷的共同作用,服役環(huán)境苛刻,是發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)重件。DD6 是中國自行研制的1 種第2 代鎳基單晶高溫合金,具有高溫強(qiáng)度高、綜合性能好、組織穩(wěn)定、鑄造工藝性能好等優(yōu)點(diǎn)。與國外廣泛應(yīng)用的第2 代單晶合金相比,其拉伸性能、持久性能、抗氧化性能及耐熱腐蝕性能等均達(dá)到甚至部分超過其水平,廣泛應(yīng)用于制造具有復(fù)雜內(nèi)腔的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片等高溫零部件。目前,對(duì)DD6 合金的研究主要集中在顯微組織演化規(guī)律[1-2]及其對(duì)性能的影響[3-4],常規(guī)[5-6]及具有葉片結(jié)構(gòu)特征的非標(biāo)試樣(如帶氣膜孔[7-8]、再結(jié)晶層[9]、二次取向[10])力學(xué)性能的試驗(yàn),材料試樣的斷裂行為[11-12]等方面;而對(duì)復(fù)雜構(gòu)件,尤其是渦輪葉片零部件級(jí)的失效研究較少。胡霖等[13]對(duì)室溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)后的DD6 合金渦輪轉(zhuǎn)子葉片裂紋進(jìn)行失效分析,表明異常的γ′筏排組織是導(dǎo)致該葉片早期疲勞開裂的主要原因;馬健等[14]對(duì)DD6 合金渦輪葉片在試車后緣板裂紋進(jìn)行失效分析,表明葉片緣板裂紋是由表面再結(jié)晶導(dǎo)致的疲勞開裂,其形成與存在富鎢白色析出相的枝晶界面有直接關(guān)系。

        本文對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中產(chǎn)生裂紋的DD6合金渦輪葉片進(jìn)行了外觀檢查、斷口分析、成分分析和組織分析,并通過模擬試驗(yàn)再現(xiàn)再結(jié)晶晶粒的產(chǎn)生過程和形貌特征。

        1 故障葉片檢查與分析

        1.1 外觀檢查

        故障葉片熒光探傷圖像如圖1 所示。從圖中可見,裂紋位于葉身葉盆側(cè)中間區(qū)域,與葉片尾緣排氣窗連通,呈折線擴(kuò)展。裂紋較長(zhǎng)部分與徑向約呈45°擴(kuò)展;裂紋較短部分靠近葉片尾緣排氣窗,呈近似弦向擴(kuò)展。為了便于描述,將裂紋較長(zhǎng)部分定義為斜向裂紋,裂紋較短部分定義為水平方向裂紋。葉片整體未見超溫變色現(xiàn)象。

        圖1 葉片裂紋熒光顯示

        1.2 斷口分析

        將裂紋人為打開,斷口宏觀形貌如圖2 所示。從圖2(c)中可見,水平方向裂紋斷口呈淺灰(Ⅰ區(qū))和深灰(Ⅱ區(qū))2 個(gè)不同顏色區(qū)域。Ⅰ區(qū)位于葉片尾緣排氣窗間隔墻處,無明顯斷裂形貌特征;Ⅱ區(qū)位于葉片葉盆處,可見疲勞弧線和放射棱線特征。根據(jù)裂紋斷口宏觀形貌特征判斷,水平方向裂紋性質(zhì)為疲勞裂紋,疲勞起始于葉片排氣窗間隔墻內(nèi)腔轉(zhuǎn)角處(Ⅰ區(qū)邊緣),如圖2(c)中紅色箭頭所指;斜向裂紋斷口呈灰白色,為河流狀的類解理特征,根據(jù)河流花樣判斷,斜向裂紋為水平方向裂紋的后續(xù)擴(kuò)展。

        圖2 裂紋斷口宏觀圖像

        在掃描電鏡下放大觀察裂紋斷口源區(qū),形貌如圖3 所示。從圖中可見,水平方向裂紋斷口Ⅰ區(qū)為顆粒形貌,未見承受機(jī)械載荷斷裂的形貌特征,Ⅱ區(qū)為斷裂形貌特征。進(jìn)一步放大觀察疲勞擴(kuò)展區(qū),可見疲勞條帶形貌,如圖4 所示。根據(jù)水平方向裂紋斷口Ⅰ區(qū)宏、微觀形貌判斷,此區(qū)域應(yīng)為再結(jié)晶區(qū)域。疲勞起源于葉片尾緣間隔墻內(nèi)腔表面的再結(jié)晶晶粒邊界。

        圖3 斷口微觀形貌

        圖4 疲勞條帶(5000 倍)

        1.3 故障葉片其他排氣窗間隔墻檢查分析

        對(duì)故障葉片其他排氣窗間隔墻內(nèi)腔進(jìn)行放大觀察,在部分間隔墻內(nèi)腔存在不同程度的小裂紋,多位于間隔墻與葉盆/ 葉背的轉(zhuǎn)接部位,少部分位于間隔墻中部,如圖5 所示。

        圖5 部分排氣窗間隔墻內(nèi)腔形貌

        將圖5 中1#間隔墻沿虛線解剖制作截面試樣進(jìn)行金相檢查,在間隔墻處存在典型再結(jié)晶晶粒形貌,如圖6 所示。在再結(jié)晶晶粒邊界起始1 條平直裂紋。金相結(jié)果顯示,再結(jié)晶晶粒與葉片基體顯示出不同的襯度,平直裂紋兩側(cè)顯示出相同的襯度。根據(jù)故障葉片斷口分析的結(jié)果,疲勞起源于間隔墻內(nèi)腔表面的再結(jié)晶晶粒邊界且擴(kuò)展路徑平直,可以判斷此平直裂紋為沿再結(jié)晶晶粒邊界起始的疲勞裂紋。在掃描電鏡中放大觀察,再結(jié)晶晶粒與葉片基體γ'相具有不同的位向,平直裂紋兩側(cè)γ'相具有相同位向(如圖7 所示),進(jìn)一步表明平直裂紋是受機(jī)械載荷作用引起的疲勞裂紋。

        圖6 1#間隔墻內(nèi)腔截面金相圖像

        圖7 1#間隔墻微觀組織形貌

        1.4 成分分析

        從故障葉片上取樣,對(duì)其基體進(jìn)行能譜分析,結(jié)果見表1。從表中可見,主要合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

        表1 故障葉片基體能譜分析結(jié)果 wt%

        1.5 組織分析

        從葉片裂紋附近部位取樣進(jìn)行組織分析,γ' 相未變形連通,表明葉片組織正常,如圖8 所示。

        圖8 葉片基體組織(10000 倍)

        1.6 模擬試驗(yàn)

        在故障渦輪葉片排氣窗間隔墻內(nèi)腔表面均存在不同程度的小裂紋,為了明確小裂紋的產(chǎn)生原因,進(jìn)行再結(jié)晶腐蝕模擬試驗(yàn)。從故障葉片榫頭處線切割取樣,在試驗(yàn)前對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕檢查,確保所取試樣為單晶,如圖9 所示,為了便于說明建立如圖9 所示的坐標(biāo)系。用人工敲擊+固溶處理的方法在試樣上制備再結(jié)晶晶粒,人工制備的再結(jié)晶晶粒形貌如圖10 所示。為了模擬葉片生產(chǎn)中的再結(jié)晶檢驗(yàn)過程,將固溶處理后的試樣用鹽酸雙氧水(1∶1)腐蝕液侵蝕,20 min后試樣表面可見明顯的再結(jié)晶,如圖11 所示。將腐蝕20 min 后的試樣在1000 ℃下保溫2 h,模擬葉片在工作過程中所處的溫度,保溫后的試樣呈灰白色,再結(jié)晶晶粒形貌如圖12 所示。再結(jié)晶晶粒邊界形貌與故障葉片間隔墻處小裂紋的形貌相近,如圖13 所示。表明故障葉片間隔墻處小裂紋是再結(jié)晶晶界腐蝕的結(jié)果。

        圖9 葉片榫頭取樣腐蝕圖像

        將腐蝕20 min 后在1000 ℃下保溫2 h 的試樣沿圖9 中yz方向制作截面試樣,經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后的再結(jié)晶晶粒形貌如圖14 所示。從圖中可見,在再結(jié)晶晶界邊緣有楔形缺口(圖14 中箭頭所指),這與故障葉片間隔墻處再結(jié)晶晶粒表面的楔形缺口形貌相同,如圖15 所示。此楔形缺口位置對(duì)應(yīng)xz面的小裂紋,進(jìn)一步表明故障葉片間隔墻處小裂紋是再結(jié)晶晶界腐蝕的結(jié)果。

        圖10 人工制備的再結(jié)晶晶粒

        圖11 人工制備再結(jié)晶試樣腐蝕20 min 后再結(jié)晶晶粒

        圖12 人工制備再結(jié)晶試樣腐蝕20 min,1000 ℃保溫2 h 后再結(jié)晶晶粒

        圖13 故障葉片間隔墻處的小裂紋

        圖14 模擬試驗(yàn)yz 方向截面試樣再結(jié)晶金相圖像

        圖15 故障葉片間隔墻處再結(jié)晶晶粒金相圖像

        2 故障原因分析與討論

        金屬的再結(jié)晶是在一定量的塑性變形狀態(tài)下,加熱到再結(jié)晶溫度以上,通過形核和長(zhǎng)大形成無應(yīng)變的等軸晶粒的過程。產(chǎn)生再結(jié)晶要同時(shí)滿足2 個(gè)條件:足夠的塑性變形量和達(dá)到再結(jié)晶溫度。故障渦輪葉片排氣窗間隔墻處結(jié)構(gòu)復(fù)雜,流道截面變化大,在鑄造凝固成型過程中容易在間隔墻處產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力,當(dāng)殘余應(yīng)力超過此處材料的屈服強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)生塑性變形,為再結(jié)晶的形核提供了條件。在渦輪葉片制作過程中,在定向凝固后進(jìn)行真空熱處理,標(biāo)準(zhǔn)的熱處理制度是固溶處理+時(shí)效處理(1290 ℃,1 h+1300 ℃,2 h+1315 ℃,4 h,空冷+1120 ℃,4 h,空冷+870 ℃,32 h,空冷)。固溶處理溫度較高,超過γ'相的固溶溫度[15-16],為再結(jié)晶晶粒的形核提供了溫度條件。因此,在葉片生產(chǎn)過程中的固溶處理工序后,就已經(jīng)具備在排氣窗間隔墻處形成再結(jié)晶晶粒的條件。對(duì)未經(jīng)過試驗(yàn)的葉片新件進(jìn)行解剖和金相檢驗(yàn),部分葉片的排氣窗間隔墻內(nèi)腔表面同樣可見再結(jié)晶晶粒,如圖16 所示。這進(jìn)一步表明了再結(jié)晶晶粒是在葉片制造過程中產(chǎn)生的。

        圖16 未經(jīng)過試驗(yàn)的葉片新件金相圖像

        單晶渦輪葉片再結(jié)晶區(qū)增加了與應(yīng)力軸相垂直的橫向晶界;另外,由于晶體取向不同,再結(jié)晶區(qū)域的彈性模量等力學(xué)性能與葉片基體也不同。因此,單晶葉片上再結(jié)晶的存在對(duì)葉片的整體力學(xué)性能,尤其是持久和疲勞性能影響很大[16]。本文故障葉片的疲勞裂紋在再結(jié)晶晶粒邊界萌生,再結(jié)晶晶粒顯著降低了葉片的疲勞性能。

        鑒于再結(jié)晶對(duì)單晶渦輪葉片性能的危害,在生產(chǎn)制造過程中會(huì)對(duì)葉片進(jìn)行再結(jié)晶檢測(cè)。《定向凝固葉片中再結(jié)晶的檢測(cè)與評(píng)定方法》(HB7782-2005)中介紹了定向凝固渦輪葉片再結(jié)晶檢測(cè)與評(píng)定的通用性方法。再結(jié)晶檢測(cè)分為再結(jié)晶宏觀檢查和再結(jié)晶深度檢測(cè)。葉片再結(jié)晶宏觀檢查采用低倍腐蝕的方法100%進(jìn)行;若發(fā)現(xiàn)再結(jié)晶區(qū)域,再對(duì)葉片進(jìn)行解剖,檢測(cè)再結(jié)晶區(qū)域深度。然而,此標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的再結(jié)晶檢測(cè)僅是對(duì)葉片外表面再結(jié)晶的檢測(cè)方法,而對(duì)于如故障葉片的空心氣冷葉片內(nèi)腔的再結(jié)晶,由于未延伸至葉片外表面,不能通過此方法有效檢驗(yàn)。因此葉片若按照HB7782-2005 進(jìn)行一般性再結(jié)晶檢驗(yàn),裝機(jī)的葉片內(nèi)腔可能存在再結(jié)晶隱患,影響發(fā)動(dòng)機(jī)使用安全。因此,對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的空心氣冷渦輪葉片,應(yīng)增加葉片內(nèi)腔重點(diǎn)區(qū)域的再結(jié)晶檢測(cè)控制。

        另外,模擬試驗(yàn)證實(shí)了故障葉片間隔墻處小裂紋是再結(jié)晶晶界腐蝕的結(jié)果,小裂紋具有缺口效應(yīng),提高此處的應(yīng)力集中,促進(jìn)疲勞裂紋的萌生。若葉片內(nèi)腔沒有再結(jié)晶區(qū)域,腐蝕液也會(huì)優(yōu)先侵蝕枝晶間區(qū)域。因此,在葉片再結(jié)晶宏觀檢查過程后,應(yīng)及時(shí)清洗。

        由于故障葉片間隔墻內(nèi)腔腔體較窄,在凝固過程中,金屬液體不易完全包裹陶瓷型芯,容易在間隔墻內(nèi)腔表面形成下凹且底部尖銳的“溝紋”形貌,如圖17 所示。這些“溝紋”往往是最后凝固的枝晶間部位(如圖17(c)所示)。“溝紋”區(qū)域同樣會(huì)提高應(yīng)力集中效應(yīng),促進(jìn)疲勞裂紋的萌生。另外,在“溝紋”處容易殘留葉片在再結(jié)晶宏觀檢查過程中的腐蝕液,從而進(jìn)一步侵蝕“溝紋”,破壞葉片的完整性。

        圖17 葉片排氣窗間隔墻內(nèi)腔的“溝紋”形貌

        3 結(jié)論

        (1)故障DD6 單晶合金渦輪葉片裂紋是葉片排氣窗間隔墻內(nèi)腔再結(jié)晶引起的疲勞開裂,疲勞起始于葉片尾緣間隔墻內(nèi)腔表面的再結(jié)晶晶粒邊界。

        (2)故障渦輪葉片基體成分和金相組織未見異常。

        (3)故障渦輪葉片排氣窗間隔墻內(nèi)腔表面的小裂紋是葉片在再結(jié)晶檢驗(yàn)腐蝕過程中腐蝕液對(duì)再結(jié)晶晶粒邊界侵蝕造成的。

        4 改進(jìn)建議

        (1)建議改進(jìn)葉片排氣窗結(jié)構(gòu)或改進(jìn)鑄造工藝,減小葉片排氣窗間隔墻處的殘余應(yīng)力,消除再結(jié)晶。

        (2)對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的空心氣冷渦輪葉片,在葉片生產(chǎn)過程中建議增加內(nèi)腔重點(diǎn)區(qū)域的再結(jié)晶檢測(cè)控制。

        (3)在葉片再結(jié)晶宏觀檢查過程后,應(yīng)及時(shí)清洗,防止殘留腐蝕液。

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