某型发动机涡轮导向器叶片失效分析及对策

■ 郭连平 韩振超 陈凌瀚 袁子为 唐忠彪 颜超然/成都航利（集团）实业有限公司 驻成都地区第二军事代表室

0 引言

某型发动机涡轮导向器叶片由K417G精密铸造而成，该叶片服役一个周期后进入工厂大修分解时发现叶片表面鼓包、叶身穿透性裂纹等故障。对叶片进行全身目视检查，发现叶片内腔存在大量氧化皮，部件氧化皮已完全脱落，局部氧化皮与叶片内腔粘连在一起，与正常服役后的叶片差别明显，且随着进厂发动机数量的增加，该类故障叶片呈数量级增加，有必要对该类故障进行失效分析并加以改进。

1 故障统计

随机挑选三件寿命不同的叶片进行解剖分析，检查叶片内壁情况，如图1所示。从图中可以看出，叶片内腔氧化严重，内腔表面氧化层厚度厚，氧化后的部位比正常部位明显高出，氧化层脱落的部位剩余基体厚度明显减薄。

图1 故障叶片内腔腐蚀形貌

2 故障分析

2.1 叶片壁厚测量

对内腔腐蚀的叶片进行干吹砂，去除表面热障涂层后，按工艺要求用超声波测厚仪进行壁厚测量，测量结果如表1所示。从表1可知，虽然该叶片内腔腐蚀严重并且脱落，但壁厚仍在工艺合格范围值内，无法在叶片修理过程中采用超声波测厚法进行叶片故障判断。

表1 叶片壁厚测量值

2.2 叶片X光检查

对故障叶片和新品叶片进行X光探伤，检查结果如图2所示。新品叶片的X光底片整体颜色均匀，无杂色；由于裂纹缺陷以及氧化后基体密度变化，故障叶片X光底片上可以明显看出裂纹和氧化严重区域（蓝圈处）。

图2 叶片X光底片图

2.3 成分分析

对故障叶片进行金相取样，切取氧化掉块部位的显微组织，如图3所示。从中可以看出，内腔氧化后，氧化层疏松极易脱落掉皮，氧化层厚度大约1.4mm。对故障叶片进行EDS能谱分析，分析结果如表2所示。通过对比氧化层和母材K417G能谱，氧化层的Ni、Al、Ti、Mo等主要元素损耗严重，氧含量高达18%。

表2 能谱分析

图3 故障叶片金相图

2.4 氧化深度分析

图纸要求叶片壁厚为1.0+0.5-0.3mm，每个叶身最多允许2处测量点，最小壁厚为0.6mm。图4所示为故障件A的叶片氧化层深度微观组织，从图4a）中可以看出，氧化层厚度约88μm，剩余母材厚度为560μm，剩余母材厚度已不符合图纸要求；从图4b）中可以看出，氧化层厚度约325μm，剩余母材厚度为480μm，剩余母材厚度已不符合图纸要求。图5所示为故障件B的叶片氧化层深度微观组织，从图5a）中可以看出，氧化层厚度约396μm，剩余母材厚度为801μm；从图5b）中可以看出，剩余母材厚度为756μm。选取部位的剩余壁厚已不符合图纸壁厚要求，其中剩余壁厚符合要求的叶片如在后期使用过程中继续氧化，可能导致壁厚不符合要求。

图4 故障件A的金相分析

图5 故障件B的金相分析

2.5 微观组织分析

对故障件叶片进行扫描电镜分析，如图6所示，从中可以看出，内腔氧化后的叶片γ’相变得粗大且筏化，局部组织已退化。

图6 内腔叶片微观组织

3 原因分析

针对叶片内腔腐蚀减薄现象进行原因排查。

由于叶片为单通道结构，冷却气体进入叶片内腔后在内腔中聚集，无法排除。叶片服役时，由于叶片间隙等原因，流道面的燃气可能渗入非流道面中。

经查，国内航空煤油的硫含量低时为20ppm，高时为200ppm，平均为173ppm，因此燃气中的硫可能在叶片内腔聚集。

查阅相关文献资料报道，研究表明硫偏聚对高温合金的影响很大。当硫含量很低（10-6量级，ppm）时有很强的表面偏聚性，如含量达到50ppm的镍铬铝合金在真空炉中高温退火时，表面硫含量的原子含量可达20%，将引发氧化膜的严重脱落。

燃气中的硫在叶片内腔聚集无法逃离，随着长时间处于高温环境，将引起硫偏聚，从而引发高温合金快速氧化，最终导致氧化脱落。因此，认为该叶片是由于硫的偏聚而导致内腔氧化掉皮。

4 应对措施

该叶片材料为K417G镍基高温合金，可通过气相渗铝在叶片内腔涂覆一层渗铝防护涂层，以防止叶片内腔高温氧化腐蚀。K417G作为国内成熟应用的镍基高温合金，具备良好的叶片涂层研制基础和成熟工艺，制备叶片内腔涂层防护将能够有效改善叶片的服役性能，提高叶片的安全可靠性。