李艷明，王 全，劉明坤，劉 歡，李 青，韓振宇

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽 110015）

0 引言

Ni3Al基高溫合金具有熔點(diǎn)高、密度低、高溫強(qiáng)度高和抗氧化性能優(yōu)異等特點(diǎn)，在高推重比發(fā)動機(jī)的熱端部件上得到了廣泛應(yīng)用[1]。密封片采用Ni3Al 基JG4246A 高溫合金精鑄而成，是發(fā)動機(jī)尾噴管運(yùn)動構(gòu)件鏈環(huán)中的關(guān)鍵部件之一，與調(diào)節(jié)片和連接件等一同控制發(fā)動機(jī)尾噴管的收放運(yùn)動。密封片具有尺寸大和壁厚薄等特點(diǎn)，若發(fā)生故障失效，將嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)的整體性能、壽命及可靠性[2]。

密封片通過熔模精密鑄造而成，屬于流道件，密封片和調(diào)節(jié)片之間搭接重疊，工作環(huán)境中冷熱交變應(yīng)力較大，裂紋頻發(fā)，使得密封片在長期服役過程中存在修理率高、報(bào)廢率高、使用壽命短和可靠性低等問題[3-4]。針對JG4246A 高溫合金的鑄造工藝、熱處理工藝和薄壁鑄件的維修工藝有較多研究。姚雷等[5]和潘年鋒[6]根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)優(yōu)化內(nèi)澆道尺寸和位置，調(diào)整蠟?zāi)：丸T件的造型和校形工藝，減小內(nèi)澆道根部產(chǎn)生的應(yīng)力，使鑄件尺寸精度和合格率大幅提高；薛鑫等[7]通過改進(jìn)鑄件澆注系統(tǒng)、型殼的焙燒溫度和鑄件的澆注溫度，有效控制了鑄造缺陷，提高了產(chǎn)品合格率，對于工作后出現(xiàn)故障的密封片，可以通過熱校形和打磨等措施進(jìn)行修復(fù)；Xia 等[8]探究了JG4246A 高溫合金的熱處理工藝參數(shù)，當(dāng)合金的固溶溫度為1270 ℃、固溶時間為6 h 時，合金具有更平滑的共晶區(qū)邊界、更穩(wěn)定的碳化物和相對較高的顯微硬度；Wang 等[9]研究了JG4246A 高溫合金的熱變形行為，隨著溫度的升高、應(yīng)變速率的降低，二次γ 相的數(shù)量減少，三次γ′相的數(shù)量增加，微觀結(jié)構(gòu)未表現(xiàn)發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象。齊歆霞等[10]采用砂輪和風(fēng)鉆逆裂紋方向打磨修復(fù)裂紋方法，并保證打磨處和基體圓滑轉(zhuǎn)接，滿足了試車考核要求，大大降低了修理成本。以上研究主要集中在密封片的鑄造工藝和維修方面，對使用過程中的密封片裂紋性質(zhì)和產(chǎn)生原因等方面的報(bào)道較少。因此，研究密封片裂紋的性質(zhì)及形成機(jī)理對密封片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)和維修具有重要意義。

某型航空發(fā)動機(jī)密封片在工作過程中出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重影響了其安全性。本文對故障密封片進(jìn)行外觀檢查、斷口分析、表面形貌檢查、化學(xué)成分分析、金相組織檢查、再結(jié)晶和組織熱模擬試驗(yàn)，確定了裂紋性質(zhì)和產(chǎn)生機(jī)理，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 檢查與分析

故障密封片采用JG4246A高溫合金精鑄而成，工藝流程主要為：蠟?zāi)Ｖ苽洹蜌ぶ苽洹煨汀蹮挐茶T→清殼→熱處理→熱矯形→吹砂→表面檢查→熒光檢查等。

1.1 宏觀檢查

故障密封片局部宏觀圖像如圖1 所示。從圖中可見，在密封片底板的一側(cè)有1 條裂紋；在底板流道面及非流道面均可見宏觀變色現(xiàn)象；裂紋貫穿底板兩側(cè)表面，由邊緣向中部擴(kuò)展，擴(kuò)展路徑均較平直，在流道面及非流道面擴(kuò)展長度分別約為28.2 mm 和27.6 mm。經(jīng)熒光檢測發(fā)現(xiàn)，在底板裂紋同側(cè)的流道面存在5條小裂紋，在非流道面存在3條小裂紋，小裂紋均未貫穿底板厚度方向，如圖2所示。從側(cè)面對故障密封片進(jìn)行觀察，密封片底板整體向流道面一側(cè)存在一定的翹曲變形，在裂紋處變形較嚴(yán)重，如圖3所示。

圖1 故障密封片局部宏觀圖像

圖2 小裂紋熒光顯示位置

圖3 故障密封片變形和新密封片對比

1.2 斷口分析

將故障密封片底板裂紋打開，斷口為沿晶特征，形貌如圖4 所示。表面較粗糙，呈深灰色；人為打開區(qū)表面呈淺灰色。斷口局部放大形貌中隱約可見疲勞弧線形貌特征，表明斷口的性質(zhì)為疲勞；根據(jù)疲勞弧線的方向判斷，裂紋分別起始于底板流道面和非流道面，呈多源特征。

圖4 故障密封片底板斷口宏觀形貌

在掃描電鏡中放大觀察，斷口低倍形貌如圖5 所示。隱約可見疲勞弧線和放射棱線形貌特征，根據(jù)疲勞弧線和放射棱線的方向判斷，裂紋起始于底板流道面和非流道面，呈多源特征，與斷口宏觀分析結(jié)果一致。放大觀察疲勞源區(qū)，表面可見再結(jié)晶層，如圖6中箭頭所示。

圖5 故障密封片底板斷口低倍形貌

圖6 斷口源區(qū)微觀形貌

放大觀察斷口擴(kuò)展區(qū)，大部分區(qū)域已被致密的氧化顆粒覆蓋，如圖7所示。在未被氧化顆粒覆蓋區(qū)域隱約可見疲勞條帶形貌（如圖8所示），進(jìn)一步表明裂紋性質(zhì)是疲勞。

圖7 氧化顆粒

圖8 疲勞條帶

人為打開熒光檢測的1條小裂紋，裂紋斷口宏觀形貌和微觀形貌如圖9、10所示。裂紋的性質(zhì)也為疲勞，起始于密封片底板流道面再結(jié)晶層，呈多源特征，與宏觀大裂紋的性質(zhì)一致。

圖9 小裂紋斷口宏觀形貌

圖10 小裂紋斷口微觀形貌

1.3 組織分析

從故障密封片底板裂紋附近切割取樣進(jìn)行組織檢查，從裂紋開口向裂紋尖端選取3 個區(qū)域：a（邊緣）、b（中部）和c（遠(yuǎn)離邊緣），如圖11 中紅色虛線所示。同樣對故障密封片遠(yuǎn)離裂紋部位的基體取樣，進(jìn)行組織檢查對比分析。遠(yuǎn)離裂紋基體組織形貌如圖12 所示。區(qū)域a、b 在流道面和非流道面均形成了再結(jié)晶層，其深度分別約為130.91 μm 和92.73 μm，區(qū)域c 沒有產(chǎn)生再結(jié)晶層?；w表面沒有產(chǎn)生再結(jié)晶層，表明密封片邊緣再結(jié)晶不是在加工過程中產(chǎn)生，而是在工作過程中產(chǎn)生的。

圖11 組織觀察

圖12 故障密封片底板組織形貌

遠(yuǎn)離裂紋基體微觀組織形貌如圖13 所示。均由γ 基體和γ′相組成。區(qū)域a、b 組織變化程度較大，從區(qū)域b 到區(qū)域a，1 次γ′相逐漸減少，重新析出細(xì)小的2 次γ′相，分布在γ 相中；區(qū)域c 組織變化程度相對較小，接近基體的微觀組織形貌，表明密封片裂紋附近的組織變化不是在加工過程中產(chǎn)生，而是在工作過程中產(chǎn)生的。

圖13 故障密封片底板微觀組織形貌

1.4 成分分析

對故障密封片底板基體和斷口表面進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表1。從表中可見，斷口表面氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯偏高，表明斷口表面氧化嚴(yán)重?；w主要合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本符合JG4246A的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 故障密封片底板基體能譜分析結(jié)果 wt%

2 模擬試驗(yàn)

2.1 組織熱模擬試驗(yàn)

為了明確JG4246A 合金組織隨工作溫度的變化規(guī)律，結(jié)合發(fā)動機(jī)工作過程中的實(shí)際工作溫度情況，設(shè)計(jì)熱模擬試驗(yàn)。從故障密封片遠(yuǎn)離裂紋處基體取樣，分別在950、1000、1050、1100、1150、1200、1250 和1300 ℃下保溫2 h 后進(jìn)行空冷處理，各試樣的微觀組織形貌如圖14所示。

圖14 熱模擬組織微觀形貌

在1050 ℃以下保溫處理后，試樣組織未發(fā)生明顯變化，與基體原始組織形貌基本相同。在1100～1200 ℃時，隨著加熱溫度的升高，初生γ′相開始逐漸回溶，γ′相形狀趨于規(guī)則化，所占比例逐漸減小，尺寸逐漸減小。組織中也重新析出細(xì)小的2 次γ′相，彌散分布在γ 相中，2 次γ′相尺寸也逐漸增大。在1250 ℃保溫處理后，初生γ′相基本完全回溶。在1300 ℃保溫處理后，初生γ′相已經(jīng)完全回溶，局部出現(xiàn)初熔孔洞。

2.2 再結(jié)晶熱模擬試驗(yàn)

為確定故障密封片再結(jié)晶過程，從故障密封片遠(yuǎn)離裂紋處基體取樣進(jìn)行再結(jié)晶模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)條件和結(jié)果見表2，不同試驗(yàn)條件下的再結(jié)晶形貌如圖15所示。模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，再結(jié)晶的最低溫度約為1050 ℃。隨著溫度的升高和保溫時間的增加，再結(jié)晶層的厚度逐漸增加；溫度對再結(jié)晶的形成和長大影響更加明顯；在相同溫度和保溫時間下，非流道面?zhèn)仍俳Y(jié)晶層厚度比流道面?zhèn)鹊拇螅俳Y(jié)晶程度更明顯。

表2 再結(jié)晶模擬試驗(yàn)條件和結(jié)果

圖15 熱模擬再結(jié)晶組織形貌

3 分析與討論

通過對故障密封片宏觀和斷口分析可知：裂紋性質(zhì)為疲勞，起源于流道面和非流道面兩側(cè)再結(jié)晶層，向中部擴(kuò)展，呈多源特征。

故障密封片邊緣存在1 條大裂紋和多條小裂紋，表面局部存在氧化變色現(xiàn)象。裂紋斷口呈沿晶特征，表面深灰色，并被氧化產(chǎn)物所覆蓋。裂紋呈多源特征，從密封片的表面再結(jié)晶層向內(nèi)部擴(kuò)展。一般出現(xiàn)熱應(yīng)力裂紋的故障件，在表面特定區(qū)域存在多條裂紋，裂紋擴(kuò)展曲折呈沿晶特征，斷口表面存在氧化顆粒。密封片位于發(fā)動機(jī)尾噴管部位，不屬于典型的轉(zhuǎn)動部件，不會受到很大的轉(zhuǎn)動離心力載荷作用。在發(fā)動機(jī)起動過程中，密封片流道面會經(jīng)歷高速氣流和高溫火焰作用。在發(fā)動機(jī)停車過程中，流道面表面會迅速冷卻。在急速地高溫或冷卻過程中，密封片在很短的時間內(nèi)受到熱應(yīng)力作用。同時，密封片流道面和非流道面兩側(cè)會形成一定的溫度差，密封片受到高低溫交變熱循環(huán)載荷的作用，從而易引起熱應(yīng)力疲勞裂紋的萌生[11-12]。因此，判斷故障密封片裂紋性質(zhì)應(yīng)為以熱應(yīng)力為主導(dǎo)致的疲勞裂紋。

JG4246A 是以金屬間化合物Ni3Al 為基的等軸晶鑄造高溫材料，其鑄態(tài)組織由γ相、γ′相、（γ-γ′）共晶和少量初生MC 型碳化物組成，使用溫度范圍為1200 ℃以下，初熔溫度約為1290 ℃。其中，γ′相的形貌和尺寸受工作環(huán)境影響較大，尤其是在高溫下，可以通過熱模擬γ′相的形貌與溫度之間的演變規(guī)律，來反推故障部位的實(shí)際最高工作溫度。γ′相的數(shù)量和尺寸也會直接影響高溫合金的強(qiáng)度，當(dāng)工作溫度較高時，γ′相會發(fā)生部分回溶甚至全部回溶，合金的抗高溫性能會急劇降低。對密封片基體組織進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)得出：隨著最高加熱溫度的升高，JG4246A 合金組織中枝晶干區(qū)域初生γ′相開始逐漸回溶，所占比例逐漸降低；至1100 ℃開始，組織中重新析出尺寸細(xì)小的2 次γ′相，2 次γ′相排列較整齊，彌散狀分布在γ相中；當(dāng)最高加熱溫度達(dá)到JG4246A合金的許用溫度上限1200 ℃時，呈現(xiàn)出初生γ′相大量回溶，所占比例大幅降低，重新析出的2 次γ′相尺寸達(dá)到最大；至1250 ℃時初生γ′相基本完全回溶[13-15]。本次故障密封片裂紋附近區(qū)域的組織中初生γ′相出現(xiàn)大量回溶，且重新析出大量的2 次γ′相，并與熱模擬試驗(yàn)組織形貌進(jìn)行對比分析，推斷出裂紋附近區(qū)域經(jīng)歷了1200～1250 ℃之間的最高溫度，已經(jīng)超過了合金許用溫度的上限。

故障密封片斷口邊緣存在再結(jié)晶層，與原始鑄造晶粒相比，再結(jié)晶晶粒尺寸遠(yuǎn)小于基體組織晶粒尺寸。晶粒越細(xì)小，晶界面積越大，晶界處萌生裂紋幾率增大。晶粒越細(xì)小，材料的耐高溫疲勞性能也會降低，在熱應(yīng)力作用下，再結(jié)晶晶界易開裂形成微裂紋[16-17]。同時，對故障密封片裂紋附近的組織檢查也可知，在靠近密封片邊緣和中部區(qū)域的基體組織發(fā)生明顯變化，γ′相大部分回溶，析出大量的2 次γ′相。因此，故障密封片由于邊緣和中部組織的變化，基體高溫力學(xué)性能急劇降低。再結(jié)晶層的形成和基體組織的轉(zhuǎn)變共同促進(jìn)了裂紋的形成和擴(kuò)展。

故障密封片裂紋附近表面存在再結(jié)晶層，遠(yuǎn)離裂紋的基體表面無再結(jié)晶層，表明再結(jié)晶不是在密封片原始加工過程中產(chǎn)生，而是產(chǎn)生于密封片的使用過程中。再結(jié)晶是在高內(nèi)應(yīng)力（通常是塑性變形引起的）狀態(tài)下，加熱到一定溫度，通過形核和長大形成基本上無應(yīng)變的等軸晶粒的過程。產(chǎn)生再結(jié)晶要同時滿足2 個條件：足夠的內(nèi)應(yīng)力（殘余應(yīng)力）和溫度達(dá)到再結(jié)晶溫度[18-19]。本文通過模擬試驗(yàn)成功復(fù)現(xiàn)出再結(jié)晶形貌，表明密封片成品在完成最后工藝后仍存在一定的殘余應(yīng)力，可能為矯形和吹砂等工藝對密封片表面引入的應(yīng)力。對高溫合金而言，如果在生產(chǎn)過程中受到冷變形（如吹砂、磕碰、機(jī)械加工等），又在高于再結(jié)晶溫度下停留，材料就會發(fā)生再結(jié)晶。試樣非流道面再結(jié)晶程度比流道面的更加明顯，由于流道面較平整，非流道面分布大量的加強(qiáng)筋，在鑄造和熱校形工藝中變形受到約束，殘余應(yīng)力較大，再結(jié)晶形成更加容易。相對于時間條件而言，溫度對再結(jié)晶的形成和晶粒長大影響更加明顯，溫度影響組織中初生γ′相的比例和尺寸，初生γ′相質(zhì)量分?jǐn)?shù)和尺寸減小會明顯促進(jìn)再結(jié)晶的形成[20]。

對故障密封片的材質(zhì)分析結(jié)果表明，密封片基體材料成分、組織均符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，可以排除材質(zhì)冶金問題對故障的影響。

綜上分析可知：故障密封片的裂紋性質(zhì)是以熱應(yīng)力為主導(dǎo)致的疲勞裂紋，起始于密封片流道面和非流道面表面的再結(jié)晶層。故障擴(kuò)張密封片裂紋附近區(qū)域的實(shí)際服役溫度已超過了其材料使用溫度的上限（1200 ℃）。密封片局部超溫，邊緣產(chǎn)生再結(jié)晶，在再結(jié)晶晶界處萌生疲勞裂紋?；w組織中γ′相的回溶使得密封片的耐高溫性能降低，促進(jìn)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。

4 結(jié)論

（1）故障密封片的裂紋性質(zhì)為以熱應(yīng)力為主導(dǎo)致的疲勞裂紋，起始于流道面和非流道面表面的再結(jié)晶層。

（2）密封片裂紋形成機(jī)理：密封片邊緣局部超過材料允許使用溫度（1200 ℃），使其表面產(chǎn)生再結(jié)晶，在熱應(yīng)力作用下再結(jié)晶開裂形成微裂紋；局部超溫也引起基體組織中γ′相的回溶，降低了基體本身的高溫性能，并促進(jìn)裂紋逐漸向基體擴(kuò)展，最終形成宏觀裂紋。

（3）故障密封片疲勞開裂與材質(zhì)無直接關(guān)系。

（4）故障密封片再結(jié)晶出現(xiàn)最低溫度約為1050 ℃。

建議優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善密封片溫度場均勻度，降低工作溫度；優(yōu)化密封片加工工藝，增加去應(yīng)力退火工藝，降低構(gòu)件殘余應(yīng)力。