石鳳仙, 孫智君, 滕躍飛, 曹 瑋

(中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司, 上海 200241)

渦輪葉片作為航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件，長期服役在高熱沖擊和復(fù)雜循環(huán)熱應(yīng)力的環(huán)境下[1-2]，其所用材料經(jīng)歷了從變形高溫合金、鑄造等軸晶高溫合金、定向柱晶高溫合金到單晶高溫合金的發(fā)展歷程。單晶高溫合金因為沒有晶界，少含或不含晶界強化元素，初熔溫度較高，可進(jìn)行較高溫度的固溶熱處理，從而能顯著提高材料的高溫力學(xué)性能。由于單晶高溫合金具有良好的高溫持久性能、抗熱疲勞性能、抗氧化性能以及抗腐蝕性能等，在航空發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)上被廣泛應(yīng)用[3]，許多國家都把采用單晶高溫合金葉片作為提高航空發(fā)動機(jī)力學(xué)性能的一個重要措施[4]。

為了獲得鎳基單晶合金渦輪葉片的疲勞極限和應(yīng)力-壽命(S-N)曲線，對某批次鎳基單晶合金渦輪葉片進(jìn)行振動疲勞試驗，試驗后發(fā)現(xiàn)葉片發(fā)生了開裂。為找到開裂的原因，筆者對產(chǎn)生裂紋的葉片進(jìn)行了一系列理化分析，以期為優(yōu)化單晶葉片的制造工藝提供依據(jù)。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

對開裂葉片進(jìn)行宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)葉片進(jìn)氣邊葉根部位和榫頭伸根部位存在裂紋。進(jìn)氣邊葉根裂紋主要有兩種，一種先沿與主應(yīng)力垂直方向擴(kuò)展，后沿與葉片軸向呈45°角方向擴(kuò)展，長約14 mm，裂紋位置及宏觀形貌如圖1a)中標(biāo)記1-1所示；另一種與葉片軸向呈45°角貫穿至榫頭伸根部位，長約11 mm，裂紋位置及宏觀形貌如圖1a)中標(biāo)記1-2所示；榫頭伸根裂紋位于排氣邊榫齒面第一榫齒上方及緣板加強筋圓弧界面上，沿與葉片軸向呈45°角方向擴(kuò)展，裂紋位置及宏觀形貌如圖1b)中標(biāo)記2所示。

圖1 葉片裂紋的宏觀形貌示意圖Fig.1 Schematic diagram of macro morphology of blade cracks:a) blade root cracks; b) blade root stretch section crack

1.2 斷口分析

對于上述兩種裂紋，分別打開并清洗斷口，在Sigma 500型掃描電鏡(SEM)下進(jìn)行觀察。

進(jìn)氣邊葉根裂紋斷口的宏觀形貌如圖2所示，可見斷口比較平坦，裂紋均呈多源線源形式由氣膜孔內(nèi)壁起始，向葉片基體擴(kuò)展，如圖2a)～b)標(biāo)記所示；由于擴(kuò)展方向不同，不同的裂紋源擴(kuò)展后匯合，形成臺階狀斷口，如圖2c)所示；裂紋擴(kuò)展區(qū)可見清晰的擴(kuò)展棱線和疲勞條帶，如圖2d)所示。

圖2 進(jìn)氣邊葉根裂紋斷口SEM形貌Fig.2 SEM morphology of fracture of inlet blade root crack:a) overall morphology of fracture 1-1; b) overall morphology of fracture 1-2; c) morphology of crack source area; d) morphology of crack growth area

榫頭伸根斷口也比較平坦，裂紋由榫頭緣板加強筋圓弧面亞表面起始，向榫頭內(nèi)部擴(kuò)展，如圖3a)所示;裂紋源區(qū)發(fā)現(xiàn)疏松缺陷，裂紋擴(kuò)展區(qū)可見清晰的擴(kuò)展棱線，如圖3b)所示。

圖3 榫頭伸根裂紋斷口SEM形貌 Fig.3 SEM morphology of fracture of blade root stretch section crack:a) overall morphology of fracture;b) morphology of loose and extended prismatic

1.3 金相檢驗

分別在兩種裂紋附近截取金相試樣，經(jīng)機(jī)械研磨、拋光和浸蝕后，在Axio Imager M2m型光學(xué)顯微鏡下對拋光態(tài)和浸蝕態(tài)試樣的顯微組織進(jìn)行觀察。

葉片葉根氣膜孔的拋光態(tài)形貌如圖4所示，可見氣膜孔內(nèi)壁存在多處小缺口。葉片葉根裂紋及榫頭伸根裂紋附近的顯微組織形貌如圖5所示，可見其顯微組織正常，主要由γ+γ′+(γ+γ′)共晶組成，除局部疏松外，未見其他明顯缺陷。

圖4 葉片葉根氣膜孔拋光態(tài)形貌Fig.4 Polishing morphology of film hole at blade root

圖5 葉片榫頭伸根的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of blade root stretch section

2 分析與討論

從葉根氣膜孔金相檢驗結(jié)果可以看出，氣膜孔內(nèi)壁有多處小缺口，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在高周振動疲勞試驗中，裂紋容易在氣膜孔內(nèi)壁萌生和擴(kuò)展，從葉根斷口形貌可以看出，進(jìn)氣邊葉根裂紋均呈多源線源形式由氣膜孔內(nèi)壁起始，向葉片基體擴(kuò)展。葉片的開裂由裂紋萌生、穩(wěn)定擴(kuò)展和瞬斷3個階段組成，呈多源開裂特征。擴(kuò)展初期，在較大振動應(yīng)力作用下，裂紋呈現(xiàn)多源線源起始特征，斷口與主應(yīng)力方向垂直，隨后，疲勞裂紋在一組相互平行但高度不同的平面(特定的晶體學(xué)平面)上獨立向前擴(kuò)展，直至相互間在撕裂棱處匯合，形成臺階狀斷口，裂紋擴(kuò)展區(qū)主要由擴(kuò)展棱線組成，擴(kuò)展后期可見清晰的疲勞條帶[5]。

目前渦輪葉片氣膜孔采用電火花或飛秒激光加工，氣膜孔的引入會破壞渦輪葉片整體結(jié)構(gòu)的完整性，可能產(chǎn)生電弧燒傷、重熔層或不規(guī)則缺口等缺陷[6]。氣膜孔表面完整性不良，引起應(yīng)力集中，使其成為葉片結(jié)構(gòu)強度的薄弱部位，從而對葉片的疲勞強度和壽命產(chǎn)生較大的影響，因此，在氣膜孔加工過程中，應(yīng)通過探索及優(yōu)化電火花和激光脈沖能量密度、脈沖持續(xù)時間、掃描速率等工藝參數(shù)，以實現(xiàn)無重熔層、無微裂紋的加工制孔，提升氣膜孔表面完整性，同時增加氣膜孔表面完整性檢測次數(shù)，控制氣膜孔表面缺陷，減少渦輪葉片疲勞裂紋的萌生[7-8]。

從榫頭伸根的金相檢驗結(jié)果可以看出，榫頭伸根的顯微組織主要由γ+γ′+(γ+γ′)共晶組成，未見明顯異常，由榫頭伸根斷口形貌可以看出，裂紋由榫頭緣板加強筋圓弧面亞表面處起始，向榫頭內(nèi)部擴(kuò)展，裂紋源區(qū)發(fā)現(xiàn)疏松缺陷。有研究[9-10]表明，某航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片在服役過程中發(fā)生斷裂，榫頭伸根部位聚集分布的鑄造疏松缺陷是該葉片早期疲勞斷裂的主要原因，榫頭伸根位置屬于葉片危險部位，在振動應(yīng)力的作用下，危險位置截面處存在疏松時，會使有效承載面積減小，承載能力下降，促進(jìn)葉片裂紋在此處萌生和擴(kuò)展。

劉麗玉等[11]研究表明，目前在很多型號單晶葉片的振動疲勞試驗中頻繁暴露出由疏松等冶金缺陷引起的疲勞破壞的問題，冶金缺陷對葉片的服役安全有較大的影響。因此在解決冶金缺陷對單晶葉片開裂失效的問題時應(yīng)從工藝角度上減少和避免缺陷的產(chǎn)生，并制定經(jīng)濟(jì)可行的缺陷標(biāo)準(zhǔn)，通過無損檢測等手段加強對缺陷的檢測。

3 結(jié)論及建議

進(jìn)氣邊葉根和榫頭伸根的開裂形式均為疲勞開裂。進(jìn)氣邊葉根氣膜孔內(nèi)壁存在多處小缺口以及榫頭伸根亞表面存在疏松缺陷，這些缺陷促進(jìn)了裂紋的萌生，裂紋擴(kuò)展后最終導(dǎo)致葉片開裂失效。

建議改善葉片氣膜孔加工工藝，提高氣膜孔表面完整性，采用無損檢測等技術(shù)加強對榫頭的缺陷檢測。