DD6 合金涡轮叶片裂纹失效分析

2021-01-12张开阔佟文伟李艳明

航空发动机 2020年6期

刘欢，张开阔，佟文伟，李艳明

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）

0 引言

在航空发动机工作过程中，涡轮叶片承受气动载荷、振动载荷、离心载荷和热载荷的共同作用，服役环境苛刻，是发动机中的关重件。DD6 是中国自行研制的1 种第2 代镍基单晶高温合金，具有高温强度高、综合性能好、组织稳定、铸造工艺性能好等优点。与国外广泛应用的第2 代单晶合金相比，其拉伸性能、持久性能、抗氧化性能及耐热腐蚀性能等均达到甚至部分超过其水平，广泛应用于制造具有复杂内腔的航空发动机涡轮叶片等高温零部件。目前，对DD6 合金的研究主要集中在显微组织演化规律[1-2]及其对性能的影响[3-4]，常规[5-6]及具有叶片结构特征的非标试样（如带气膜孔[7-8]、再结晶层[9]、二次取向[10]）力学性能的试验，材料试样的断裂行为[11-12]等方面；而对复杂构件，尤其是涡轮叶片零部件级的失效研究较少。胡霖等[13]对室温振动疲劳试验后的DD6 合金涡轮转子叶片裂纹进行失效分析，表明异常的γ′筏排组织是导致该叶片早期疲劳开裂的主要原因；马健等[14]对DD6 合金涡轮叶片在试车后缘板裂纹进行失效分析，表明叶片缘板裂纹是由表面再结晶导致的疲劳开裂，其形成与存在富钨白色析出相的枝晶界面有直接关系。

本文对某发动机在工作过程中产生裂纹的DD6合金涡轮叶片进行了外观检查、断口分析、成分分析和组织分析，并通过模拟试验再现再结晶晶粒的产生过程和形貌特征。

1 故障叶片检查与分析

1.1 外观检查

故障叶片荧光探伤图像如图1 所示。从图中可见，裂纹位于叶身叶盆侧中间区域，与叶片尾缘排气窗连通，呈折线扩展。裂纹较长部分与径向约呈45°扩展；裂纹较短部分靠近叶片尾缘排气窗，呈近似弦向扩展。为了便于描述，将裂纹较长部分定义为斜向裂纹，裂纹较短部分定义为水平方向裂纹。叶片整体未见超温变色现象。

图1 叶片裂纹荧光显示

1.2 断口分析

将裂纹人为打开，断口宏观形貌如图2 所示。从图2（c）中可见，水平方向裂纹断口呈浅灰（Ⅰ区）和深灰（Ⅱ区）2 个不同颜色区域。Ⅰ区位于叶片尾缘排气窗间隔墙处，无明显断裂形貌特征；Ⅱ区位于叶片叶盆处，可见疲劳弧线和放射棱线特征。根据裂纹断口宏观形貌特征判断，水平方向裂纹性质为疲劳裂纹，疲劳起始于叶片排气窗间隔墙内腔转角处（Ⅰ区边缘），如图2（c）中红色箭头所指；斜向裂纹断口呈灰白色，为河流状的类解理特征，根据河流花样判断，斜向裂纹为水平方向裂纹的后续扩展。

图2 裂纹断口宏观图像

在扫描电镜下放大观察裂纹断口源区，形貌如图3 所示。从图中可见，水平方向裂纹断口Ⅰ区为颗粒形貌，未见承受机械载荷断裂的形貌特征，Ⅱ区为断裂形貌特征。进一步放大观察疲劳扩展区，可见疲劳条带形貌，如图4 所示。根据水平方向裂纹断口Ⅰ区宏、微观形貌判断，此区域应为再结晶区域。疲劳起源于叶片尾缘间隔墙内腔表面的再结晶晶粒边界。

图3 断口微观形貌

图4 疲劳条带（5000 倍）

1.3 故障叶片其他排气窗间隔墙检查分析

对故障叶片其他排气窗间隔墙内腔进行放大观察，在部分间隔墙内腔存在不同程度的小裂纹，多位于间隔墙与叶盆/ 叶背的转接部位，少部分位于间隔墙中部，如图5 所示。

图5 部分排气窗间隔墙内腔形貌

将图5 中1#间隔墙沿虚线解剖制作截面试样进行金相检查，在间隔墙处存在典型再结晶晶粒形貌，如图6 所示。在再结晶晶粒边界起始1 条平直裂纹。金相结果显示，再结晶晶粒与叶片基体显示出不同的衬度，平直裂纹两侧显示出相同的衬度。根据故障叶片断口分析的结果，疲劳起源于间隔墙内腔表面的再结晶晶粒边界且扩展路径平直，可以判断此平直裂纹为沿再结晶晶粒边界起始的疲劳裂纹。在扫描电镜中放大观察，再结晶晶粒与叶片基体γ'相具有不同的位向，平直裂纹两侧γ'相具有相同位向（如图7 所示），进一步表明平直裂纹是受机械载荷作用引起的疲劳裂纹。

图6 1#间隔墙内腔截面金相图像

图7 1#间隔墙微观组织形貌

1.4 成分分析

从故障叶片上取样，对其基体进行能谱分析，结果见表1。从表中可见，主要合金元素质量分数满足标准要求。

表1 故障叶片基体能谱分析结果 wt%

1.5 组织分析

从叶片裂纹附近部位取样进行组织分析，γ' 相未变形连通，表明叶片组织正常，如图8 所示。

图8 叶片基体组织（10000 倍）

1.6 模拟试验

在故障涡轮叶片排气窗间隔墙内腔表面均存在不同程度的小裂纹，为了明确小裂纹的产生原因，进行再结晶腐蚀模拟试验。从故障叶片榫头处线切割取样，在试验前对试样进行腐蚀检查，确保所取试样为单晶，如图9 所示，为了便于说明建立如图9 所示的坐标系。用人工敲击＋固溶处理的方法在试样上制备再结晶晶粒，人工制备的再结晶晶粒形貌如图10 所示。为了模拟叶片生产中的再结晶检验过程，将固溶处理后的试样用盐酸双氧水（1∶1）腐蚀液侵蚀，20 min后试样表面可见明显的再结晶，如图11 所示。将腐蚀20 min 后的试样在1000 ℃下保温2 h，模拟叶片在工作过程中所处的温度，保温后的试样呈灰白色，再结晶晶粒形貌如图12 所示。再结晶晶粒边界形貌与故障叶片间隔墙处小裂纹的形貌相近，如图13 所示。表明故障叶片间隔墙处小裂纹是再结晶晶界腐蚀的结果。

图9 叶片榫头取样腐蚀图像

将腐蚀20 min 后在1000 ℃下保温2 h 的试样沿图9 中yz方向制作截面试样，经打磨、抛光、腐蚀后的再结晶晶粒形貌如图14 所示。从图中可见，在再结晶晶界边缘有楔形缺口（图14 中箭头所指），这与故障叶片间隔墙处再结晶晶粒表面的楔形缺口形貌相同，如图15 所示。此楔形缺口位置对应xz面的小裂纹，进一步表明故障叶片间隔墙处小裂纹是再结晶晶界腐蚀的结果。

图10 人工制备的再结晶晶粒

图11 人工制备再结晶试样腐蚀20 min 后再结晶晶粒

图12 人工制备再结晶试样腐蚀20 min，1000 ℃保温2 h 后再结晶晶粒

图13 故障叶片间隔墙处的小裂纹

图14 模拟试验yz 方向截面试样再结晶金相图像

图15 故障叶片间隔墙处再结晶晶粒金相图像

2 故障原因分析与讨论

金属的再结晶是在一定量的塑性变形状态下，加热到再结晶温度以上，通过形核和长大形成无应变的等轴晶粒的过程。产生再结晶要同时满足2 个条件：足够的塑性变形量和达到再结晶温度。故障涡轮叶片排气窗间隔墙处结构复杂，流道截面变化大，在铸造凝固成型过程中容易在间隔墙处产生较大的残余应力，当残余应力超过此处材料的屈服强度时即产生塑性变形，为再结晶的形核提供了条件。在涡轮叶片制作过程中，在定向凝固后进行真空热处理，标准的热处理制度是固溶处理＋时效处理（1290 ℃，1 h＋1300 ℃，2 h＋1315 ℃，4 h，空冷＋1120 ℃，4 h，空冷＋870 ℃，32 h，空冷）。固溶处理温度较高，超过γ'相的固溶温度[15-16]，为再结晶晶粒的形核提供了温度条件。因此，在叶片生产过程中的固溶处理工序后，就已经具备在排气窗间隔墙处形成再结晶晶粒的条件。对未经过试验的叶片新件进行解剖和金相检验，部分叶片的排气窗间隔墙内腔表面同样可见再结晶晶粒，如图16 所示。这进一步表明了再结晶晶粒是在叶片制造过程中产生的。

图16 未经过试验的叶片新件金相图像

单晶涡轮叶片再结晶区增加了与应力轴相垂直的横向晶界；另外，由于晶体取向不同，再结晶区域的弹性模量等力学性能与叶片基体也不同。因此，单晶叶片上再结晶的存在对叶片的整体力学性能，尤其是持久和疲劳性能影响很大[16]。本文故障叶片的疲劳裂纹在再结晶晶粒边界萌生，再结晶晶粒显著降低了叶片的疲劳性能。

鉴于再结晶对单晶涡轮叶片性能的危害，在生产制造过程中会对叶片进行再结晶检测。《定向凝固叶片中再结晶的检测与评定方法》（HB7782-2005）中介绍了定向凝固涡轮叶片再结晶检测与评定的通用性方法。再结晶检测分为再结晶宏观检查和再结晶深度检测。叶片再结晶宏观检查采用低倍腐蚀的方法100%进行；若发现再结晶区域，再对叶片进行解剖，检测再结晶区域深度。然而，此标准中规定的再结晶检测仅是对叶片外表面再结晶的检测方法，而对于如故障叶片的空心气冷叶片内腔的再结晶，由于未延伸至叶片外表面，不能通过此方法有效检验。因此叶片若按照HB7782-2005 进行一般性再结晶检验，装机的叶片内腔可能存在再结晶隐患，影响发动机使用安全。因此，对于复杂结构的空心气冷涡轮叶片，应增加叶片内腔重点区域的再结晶检测控制。

另外，模拟试验证实了故障叶片间隔墙处小裂纹是再结晶晶界腐蚀的结果，小裂纹具有缺口效应，提高此处的应力集中，促进疲劳裂纹的萌生。若叶片内腔没有再结晶区域，腐蚀液也会优先侵蚀枝晶间区域。因此，在叶片再结晶宏观检查过程后，应及时清洗。

由于故障叶片间隔墙内腔腔体较窄，在凝固过程中，金属液体不易完全包裹陶瓷型芯，容易在间隔墙内腔表面形成下凹且底部尖锐的“沟纹”形貌，如图17 所示。这些“沟纹”往往是最后凝固的枝晶间部位（如图17（c）所示）。“沟纹”区域同样会提高应力集中效应，促进疲劳裂纹的萌生。另外，在“沟纹”处容易残留叶片在再结晶宏观检查过程中的腐蚀液，从而进一步侵蚀“沟纹”，破坏叶片的完整性。