董自超，遲慶新，王 威，王 全，劉 芳，耿 瑞

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110015）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片是實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換的關(guān)重部件，也是一個(gè)國(guó)家航空工業(yè)水平的顯著標(biāo)志[1]。在近幾十年的研制進(jìn)程中，渦輪葉片逐步實(shí)現(xiàn)了鑄造代替鍛造和材料工藝技術(shù)的提升。定向凝固鑄造技術(shù)的突破成功消除了垂直于葉片主應(yīng)力方向的橫向晶界，提高了葉片的服役溫度和壽命[2-4]。目前，性能更為優(yōu)異的定向合金和單晶合金已成為先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要特色，且在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)仍將是渦輪葉片最重要的材料[5]。渦輪葉片在設(shè)計(jì)時(shí)通常采用材料數(shù)據(jù)手冊(cè)（以下簡(jiǎn)稱手冊(cè)）上標(biāo)準(zhǔn)試棒的測(cè)試數(shù)據(jù)，然而考慮到葉片薄壁鑄造特性和葉身彎扭結(jié)構(gòu)特征等因素，鑄造葉片不同部位的材料性能數(shù)據(jù)與手冊(cè)數(shù)據(jù)往往存在差異。缺少葉片本體材料性能數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)往往偏于保守或激進(jìn)，進(jìn)而導(dǎo)致材料達(dá)不到最佳的使用性能或造成葉片過(guò)早失效。因此，獲得渦輪葉片的本體材料性能對(duì)于指導(dǎo)葉片設(shè)計(jì)、葉片類故障排除和葉片壽命評(píng)估具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)渦輪葉片的結(jié)構(gòu)特征和葉身本體材料性能開(kāi)展了相關(guān)的試驗(yàn)研究。王亮等[6-8]通過(guò)設(shè)計(jì)板狀試樣研究葉片的薄壁特征，對(duì)比研究了薄壁試樣與標(biāo)準(zhǔn)試棒的性能差異和持久斷裂模式；閆曉軍等[9-10]通過(guò)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模擬件研究了定向凝固渦輪葉片不同部位材料的疲勞和持久性能差異；Arakere 等[11]和岳珠峰等[12]開(kāi)展了葉片晶體取向差異對(duì)葉片疲勞和蠕變性能影響的研究；Kolbe 等[13-14]和曹剛等[15-16]從葉片本體上切割出小尺寸板狀試樣進(jìn)行性能測(cè)試，研究了小尺寸試樣的取樣形式和試驗(yàn)及影響因素，相比于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件，本體取樣可更加真實(shí)地反映葉片本體的鑄造組織、晶體取向和薄壁等特征。

IC10 是Ni3Al 基定向凝固高溫合金，具有良好的抗氧化性、耐腐蝕性、可鑄造性和組織穩(wěn)定性，已在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向葉片上獲得了較為充分的應(yīng)用[17-18]。本文對(duì)IC10 合金定向凝固空心渦輪葉片進(jìn)行取樣，對(duì)比了葉身不同部位的組織狀態(tài)，完成了試驗(yàn)工裝的優(yōu)化設(shè)計(jì)，開(kāi)展了小尺寸試樣的高溫拉伸和持久壽命試驗(yàn)，并與手冊(cè)[16]數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)件及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)件切取

根據(jù)IC10 合金導(dǎo)葉尺寸和彎扭結(jié)構(gòu)，確定了取樣試驗(yàn)件的尺寸，取樣的幾何形狀及尺寸如圖1 所示，取樣位置如圖2 所示。在渦輪葉片葉身的尾緣、葉背和葉盆3 個(gè)位置沿葉高方向通過(guò)線切割的方式進(jìn)行試樣切取，默認(rèn)取出試驗(yàn)件的長(zhǎng)度方向即葉片的定向凝固方向（縱向），取樣數(shù)量根據(jù)實(shí)際情況確定。線切割后對(duì)試樣側(cè)面和表面進(jìn)行打磨。試驗(yàn)件厚度D以實(shí)際加工為準(zhǔn)并保持一致，打磨后的最終厚度約為1.7 mm。

圖1 取樣的幾何形狀及尺寸

圖2 取樣位置

1.2 試驗(yàn)件裝卡及試驗(yàn)方法

受葉片本體取樣的尺寸和結(jié)構(gòu)限制，帶有萬(wàn)向節(jié)的試驗(yàn)機(jī)主體和常規(guī)工裝難以保證試樣安裝的一致性和加載的同軸度，直接影響小試樣試驗(yàn)結(jié)果的可信度。為此設(shè)計(jì)了試驗(yàn)工裝，如圖3 所示。在試驗(yàn)前，上、下夾塊與試驗(yàn)機(jī)主體通過(guò)銷釘進(jìn)行連接，兩側(cè)的定位銷約束上、下夾塊實(shí)現(xiàn)共面定位，此時(shí)將試樣放置在上、下夾塊的中心開(kāi)槽當(dāng)中，通過(guò)試樣兩側(cè)共4 個(gè)定位塊完成試樣相對(duì)于上、下夾塊的找中和定位。定位銷和定位塊的設(shè)置雙重約束了試樣相對(duì)于試驗(yàn)加載軸線的偏移，減少了因裝配和加載帶來(lái)的附加彎矩和載荷擾動(dòng)的影響，可顯著提高小試樣安裝的一致性和加載同軸度。

圖3 試驗(yàn)工裝

采用有限元軟件對(duì)工裝夾具體與裝夾試樣進(jìn)行了應(yīng)力計(jì)算，夾具體與試樣的應(yīng)力分布如圖4 所示。從試驗(yàn)結(jié)果可知，夾具體應(yīng)力儲(chǔ)備遠(yuǎn)高于試驗(yàn)件，試驗(yàn)件平行段處于均勻的應(yīng)力狀態(tài)，是整個(gè)加載系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，說(shuō)明試驗(yàn)件和夾具體設(shè)計(jì)合理。

圖4 夾具體與試樣的應(yīng)力分布

待試驗(yàn)件與夾具體完成裝配連接后進(jìn)行試驗(yàn)。拉伸與持久壽命試驗(yàn)分別參照《金屬高溫拉伸試驗(yàn)方法》（HB 5195）、《金屬高溫拉伸持久試驗(yàn)方法》（HB 5150）進(jìn)行。對(duì)于取樣試驗(yàn)件延伸率的測(cè)試而言，由于試驗(yàn)件尺寸較小，通過(guò)打點(diǎn)、劃刻的方式做標(biāo)記易造成試驗(yàn)件表面較大的損傷，且氧化后難以辨識(shí)，本文采用試驗(yàn)件的總長(zhǎng)變化來(lái)計(jì)算延伸率δ

式中：L0為試驗(yàn)件原始總長(zhǎng)，本次試驗(yàn)的L0=12 mm；L1為試驗(yàn)件斷裂后拼接在一起的試驗(yàn)件總長(zhǎng)，通過(guò)試驗(yàn)后測(cè)量得到；L2為試驗(yàn)件的平行段長(zhǎng)度，本次試驗(yàn)的L2=4 mm。

從圖4 中試驗(yàn)件上的應(yīng)力分布可知，試驗(yàn)件在懸掛加載的過(guò)程中，在非平行段處也可能會(huì)存在少量塑性變形，且由于平行段較短（4 mm），按式（1）計(jì)算得到的延伸率會(huì)與標(biāo)準(zhǔn)試棒的存在差異，僅作為小試樣延伸率的度量。

2 試驗(yàn)結(jié)果和解析

2.1 拉伸試驗(yàn)

在試驗(yàn)前，對(duì)葉身尾緣、葉背和葉盆取樣處附近的組織形貌進(jìn)行觀察，取樣位置的原始組織形貌如圖5 所示，γ基體上分布著不規(guī)則立方化程度較高的γ'相。作為合金強(qiáng)化相，γ'相在形貌特征、尺寸大小、分布情況和體積分?jǐn)?shù)上在不同的取樣位置處并沒(méi)有明顯差別。這是因?yàn)樾氯~片未經(jīng)歷高溫和載荷作用，且取樣位置相對(duì)較為平直，在鑄造過(guò)程中，并不存在由于葉片形狀和幾何突變而導(dǎo)致的顯微組織差異。

圖5 取樣位置的原始組織形貌

在900 ℃下取樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果和相同試驗(yàn)參數(shù)下的手冊(cè)數(shù)據(jù)[17]見(jiàn)表1，試驗(yàn)中的應(yīng)力-位移曲線及試驗(yàn)件宏觀斷裂形貌如圖6 所示。試樣經(jīng)過(guò)彈性變形階段后，存在明顯的塑性變形屈服過(guò)程，試樣最終均在平行段內(nèi)斷裂，目視斷裂處發(fā)生了一定程度的頸縮。對(duì)于屈服強(qiáng)度的獲取，測(cè)試時(shí)需要在應(yīng)力-位移曲線的彈性直線段部分確定基準(zhǔn)線，從圖6 中可見(jiàn)，不同部位取樣的彈性段的斜率具有明顯差異，會(huì)導(dǎo)致得到的屈服強(qiáng)度存在較大差別，因此給出的屈服強(qiáng)度僅供參考。

表1 取樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖6 取樣的應(yīng)力-位移曲線及斷后形貌

不同部位取樣拉伸結(jié)果對(duì)比如圖7 所示。從圖中可見(jiàn)，不同部位取樣的抗拉強(qiáng)度相差不大，主要是因?yàn)椴煌游恢镁哂休^為相似的組織，而組織對(duì)于力學(xué)性能的影響極為重要。延伸率作為塑性指標(biāo)則具有較為明顯的差別。圖中虛線為材料數(shù)據(jù)手冊(cè)[17]中選用IC10 合金縱向標(biāo)準(zhǔn)試棒測(cè)試獲得的材料拉伸數(shù)據(jù)。從對(duì)比結(jié)果可知，取樣的抗拉強(qiáng)度明顯低于標(biāo)準(zhǔn)試棒的，下降約20%，是取樣的尺寸效應(yīng)和薄壁效應(yīng)的體現(xiàn)。取樣的屈服強(qiáng)度略低于標(biāo)準(zhǔn)試棒的，延伸率則明顯高于標(biāo)準(zhǔn)試棒的，其中，根據(jù)式（1）計(jì)算獲得的試樣延伸率包含了夾持段發(fā)生的塑性變形，是延伸率偏高的原因之一。

圖7 不同部位取樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2.2 持久壽命試驗(yàn)

在葉身尾緣、葉背和葉盆處的取樣在900 ℃、342/374 MPa 下的持久壽命試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示，取樣均在平行段內(nèi)斷裂。在同等試驗(yàn)條件下，不同位置取樣的持久壽命存在交叉的現(xiàn)象。從持久斷后延伸率的結(jié)果可知，本試驗(yàn)中的應(yīng)力變化（342/374 MPa）對(duì)取樣延伸率的影響較小，不同位置取樣的延伸率在42%～56%內(nèi)變化，均值差別不大，但相比于拉伸試驗(yàn)結(jié)果有明顯提高，這是因?yàn)槿釉囼?yàn)件在持久試驗(yàn)中經(jīng)歷了較為充分的蠕變變形。

圖8 不同部位取樣的持久試驗(yàn)結(jié)果

不同部位取樣的持久壽命與應(yīng)力的變化關(guān)系如圖9 所示。從圖中可見(jiàn)，當(dāng)試驗(yàn)應(yīng)力從342 MPa 提升至374 MPa 后，不同部位取樣的持久壽命均大幅下降，其中盆側(cè)取樣的下降最為明顯，下降約64%。材料數(shù)據(jù)手冊(cè)[17]中IC10 合金縱向標(biāo)準(zhǔn)試棒在900℃下100 h試驗(yàn)時(shí)間的持久壽命極限（中值）為342 MPa，在900 ℃下50 h 試驗(yàn)時(shí)間的持久壽命極限（中值）為374 MPa，以此作為對(duì)比，取樣試驗(yàn)件的持久壽命比手冊(cè)中的數(shù)據(jù)大幅降低，降低幅度在76%～85%，下降幅度最大值分別為342 MPa 下背側(cè)取樣的84.4%和374 MPa下盆側(cè)取樣的84.5%。

圖9 不同部位取樣的持久壽命與應(yīng)力的變化關(guān)系

研究[6-8]表明，高溫持久斷裂過(guò)程與表面氧化有密切關(guān)系，薄壁試樣的持久壽命低于標(biāo)準(zhǔn)試棒的，且試樣越薄，表面氧化越嚴(yán)重，持久壽命越短。從取樣的持久壽命結(jié)果來(lái)看，IC10 葉片取樣同樣具有此薄壁效應(yīng)。假設(shè)葉片取樣和圓形試棒（直徑5 mm）的氧化程度均勻且一致，取樣平行段的橫截面周長(zhǎng)與面積之比會(huì)是圓形試棒的5 倍，這就意味著2 種試驗(yàn)件表面氧化層在試驗(yàn)件上的占比不同，氧化后葉片取樣的有效承載面積會(huì)明顯減小，實(shí)際承載應(yīng)力則顯著提高。除氧化因素外，薄壁葉片的鑄造組織效應(yīng)同樣會(huì)對(duì)持久壽命帶來(lái)影響。與標(biāo)準(zhǔn)試棒相比，通常認(rèn)為薄壁試樣的凝固速度快，一次枝晶間距變小，熱處理則易造成薄壁試樣的γ'相尺寸和殘余共晶含量較小[7]，但其影響機(jī)制和程度還需要做進(jìn)一步的對(duì)比研究。

選取葉身盆側(cè)取樣試驗(yàn)件持久試驗(yàn)后的形貌見(jiàn)圖10。試驗(yàn)件表面可見(jiàn)明顯氧化，圖10（b）為圖10（a）中靠近斷口處的局部放大圖，從圖中可見(jiàn)到大量垂直于加載軸線方向的微裂紋，裂紋內(nèi)部也可見(jiàn)明顯氧化滲透。從圖10（c）、（d）試驗(yàn)件斷口可見(jiàn)到通過(guò)撕裂棱連接起來(lái)的韌窩和蠕變空穴形成的孔洞。從試驗(yàn)件斷后形貌分析，在試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)件表面發(fā)生氧化，在應(yīng)力的持續(xù)作用下，氧化表面開(kāi)裂形成微裂紋并向試驗(yàn)件內(nèi)部擴(kuò)展；而試驗(yàn)件內(nèi)部則經(jīng)歷了蠕變空穴的形成和長(zhǎng)大。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，當(dāng)裂紋擴(kuò)展與內(nèi)部孔洞和韌窩的連接導(dǎo)致試驗(yàn)件有效承載面積減小至無(wú)法承受外加載荷時(shí)，試驗(yàn)件發(fā)生最終破斷。

圖10 持久試驗(yàn)后試樣表面和斷口的形貌特征

3 分析與討論

（1）盡管取樣已屬于微型試樣，但葉身可供取出的試樣數(shù)量仍有限，且取出的每1 個(gè)試驗(yàn)件對(duì)應(yīng)于葉片的一個(gè)位置，具有唯一性。本文中未經(jīng)服役葉片不同位置的組織狀態(tài)相似，取樣性能差別不大，當(dāng)葉片經(jīng)過(guò)服役后，不同位置將具有不同的服役履歷，組織狀態(tài)可能會(huì)存在差異，最終導(dǎo)致不同程度的性能衰減，是研究葉片服役損傷的方向。

（2）本文默認(rèn)了取樣的長(zhǎng)度方向即葉片的定向凝固方向，但相比于標(biāo)準(zhǔn)試棒較為明確的晶粒取向（晶粒取向不超過(guò)15°），受限于葉片彎扭結(jié)構(gòu)和取樣工藝，即使在取向合格的葉片上沿著同一個(gè)方向切取試樣也可能導(dǎo)致取樣與標(biāo)準(zhǔn)試棒之間、不同位置取樣之間存在晶粒取向和狀態(tài)（如包含的晶界數(shù)量）差異，從而導(dǎo)致性能差異和數(shù)據(jù)分散。因此，在試驗(yàn)前對(duì)取樣進(jìn)行檢測(cè)和表征，明確取樣的實(shí)際狀態(tài)是很有意義的[13]。

（3）本文嘗試借助優(yōu)化工裝的方式降低試驗(yàn)中如附加彎矩等帶來(lái)的影響，但小試樣試驗(yàn)的影響因素甚多，且相比標(biāo)準(zhǔn)試棒可能會(huì)呈現(xiàn)放大的趨勢(shì)。由于各類葉片葉型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可切取空間小，干擾結(jié)構(gòu)（如氣膜孔、擾流柱等）多，如何準(zhǔn)確定位葉片取樣位置，保證取樣的一致性，以及后續(xù)的試樣加工對(duì)于獲得可信的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、降低數(shù)據(jù)分散性都十分重要。對(duì)于渦輪葉片較為關(guān)注的蠕變變形問(wèn)題，在試驗(yàn)技術(shù)上，已經(jīng)完成蠕變夾具的設(shè)計(jì)，后續(xù)將開(kāi)展蠕變性能的測(cè)試，但由于取樣較短的平行段，間接變形測(cè)量的有效性和后續(xù)修正及應(yīng)用需要做進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論

（1）在拉伸與持久壽命試驗(yàn)中，葉身取樣均在平行段斷裂，試驗(yàn)件和工裝設(shè)計(jì)合理；

（2）相比于手冊(cè)中的標(biāo)準(zhǔn)試棒，葉身取樣的抗拉強(qiáng)度明顯降低，持久壽命也大為縮短；

（3）葉身不同部位的組織形貌相似，取樣的拉伸和持久性能差異不大，應(yīng)力升高會(huì)導(dǎo)致持久壽命明顯降低。