某型发动机涡轮叶片叶冠外端面高温氧化和腐蚀故障分析与对策

宋丙新 王轶 熊高峰

摘要：對涡轮叶片叶冠外端面高温氧化和腐蚀情况进行了外观与尺寸、成分与金相等检查以及装配情况复查，分析认为，在无铝硅层保护状态下，叶片叶冠外端面抗氧化和抗热腐蚀性能降低，长期工作中的高温氧化和热腐蚀持续累积导致了故障的发生。给出了对涡轮叶片叶冠外端面渗铝硅是提高抗氧化和抗热腐蚀性能、避免叶冠外端面腐蚀故障的对策。

关键词：涡轮叶片；高温氧化；腐蚀；故障分析

Keywords：turbine blade；temperature oxidation；corrosion；failure analysis

1 故障现象

某发动机试车后分解检查发现，涡轮叶片中有5件叶冠外端面存在疑似材料附着、剥落现象（见图1）。

2 故障件信息

此涡轮叶片中的5件故障叶片为串用某A号发动机的叶片，其余叶片均为串用某B号发动机的叶片，基本信息见表1。

由表1可见，5件故障叶片装配位置不均匀分布，总工作时间为1418h48min，来源于同一台某A号发动机；其余叶片总工作时间为1202h08min，来源于同一台某B号发动机。上述叶片试车前修理时均进行了重新渗铝硅。

3 故障件检查与分析

3.1 外观与尺寸检查

分解检查涡轮，5件叶片叶冠外端面存在疑似材料附着、剥落现象，与之匹配的蜂窝外环有磨损痕迹；5件叶片叶身、榫头位置外观检查未见异常（见图2）。叶片与蜂窝配合尺寸变化及叶冠封严齿厚度情况见表2、表3。

由表2、表3可见，涡轮叶片试车后均有伸长，其中故障叶片叶冠外端面存在疑似材料附着、剥落痕迹，封严齿厚度比正常叶片增大约0.2 mm。

3.2 成分与金相检查

选取不同类别涡轮叶片，通过扫描电镜检测叶片表面成分，叶身和榫头部分未见明显差异，但故障叶片叶冠表面成分与正常叶片存在差异。叶冠表面成分对比见表4。

由表4可见，试车故障叶片叶冠Al、Si含量较其他叶片偏低，Ti含量和Cr含量也偏低，Ni含量明显比其他叶片高。对与故障涡轮叶片同渗铝硅炉批的叶片叶冠进行解剖并进行金相检查，在叶冠位置未发现铝硅层。

涡轮叶片叶冠表面微观形貌检查，发现呈颗粒状氧化物覆盖特征，且有与基体的分层现象，如图3所示；对表面进行X射线能谱分析，发现表面富含O、Ni、Co和少量Al元素。

检查叶冠剖面金相形貌，氧化物层主要分为外氧化层、氧化过渡层和内氧化层，如图4所示；对氧化层进行能谱分析，发现氧化层主要含O、Ni、Co、Cr、Fe、Ti、Al、Si元素，可见叶冠处没有其他污染物，是自身氧化物。

3.3 装配情况复查

复查装配情况，认为涡轮叶片装配符合要求，叶片装配复查情况见表5。

4 分析讨论

涡轮叶片设计图规定对叶片流道表面渗铝硅，渗层厚度0.02～0.04mm，除榫头外其他表面允许漏渗，渗层厚度不大于0.025mm。按上述规定，部分涡轮叶片叶冠外端面存在无渗铝硅层的可能。

该涡轮叶片材料为高温合金，在无铝硅层保护情况下，基体材料长期在高温环境中工作，易发生高温氧化和热腐蚀。与5件故障叶片同炉渗铝硅层的1件叶片叶冠解剖后金相检查未见铝硅层，表明故障叶片叶冠外端面使用前大概率也无铝硅层。同时，因故障叶片工作时间已接近总寿命，氧化、热腐蚀累积时间较长，致使叶冠外端面的抗氧化和抗热腐蚀性大大降低。分析认为，故障叶片抗氧化性和抗热腐蚀性降低，是导致叶冠外端面高温氧化和腐蚀的主要原因。

5 结论与对策

故障叶片叶冠Al、Si、Ti含量较其他叶片偏低，Ni含量明显比其他叶片高。对故障叶片同炉渗铝硅的叶片进行叶冠解剖和金相检查，发现同炉叶片叶冠外端面无铝硅层。试验和抽检表明，故障叶片工作前叶冠外端面已无铝硅层。

该涡轮叶片材料为高温合金，在无铝硅层保护状态下，叶冠外端面抗氧化和抗热腐蚀性能降低，长期工作中，高温氧化和热腐蚀持续累积，发生了高温氧化和热腐蚀。

通过涡轮叶片叶冠外端面渗铝硅，可提高其抗氧化和抗热腐蚀性能。针对涡轮叶片叶冠外端面高温氧化和腐蚀故障，建议增加叶冠外端面渗铝硅要求，渗层厚度定为0.02～0.04mm。