服役涡轮叶片筏化判废：定量表征及阈值确定

范永升,杨晓光,*,石多奇,谭龙,黄渭清

1. 北京航空航天大学 能源与动力工程学院,北京 102206 2. 北京理工大学 机械与车辆学院,北京 100081

航空发动机涡轮叶片由于恶劣的服役环境,一般选材为定向凝固/单晶镍基高温合金。这类材料在微观层面主要由立方体形貌的′相第二相强化粒子面心立方的相基体构成。航空发动机不断朝着长航时和高性能方向发展,如现役民用航空发动机PW4000规定高压涡轮部件深度维修间隔已高达4 000个循环/16 000 h。军用发动机由于复杂的飞行剖面导致大修间隔相比民用发动机较短,但仍旧要求在尽可能长的服役区间内保证发动机的安全性。如此愈发严苛的服役环境导致涡轮叶片微观′/两相组织不可避免地产生各类微观损伤,其中以′相的筏化,即′相的定向聚集和长大,尤为重要。一方面,筏化将大大降低合金的高温力学性能,弱化叶片的承载能力,严重影响航空发动机的服役安全,造成重大事故；另一方面,涡轮叶片造价极其昂贵,如V2500发动机的全套时寿件价格截止2018年已经高达384万美元,轻易放弃受损的叶片将会使发动机的日常使用和维修成本变得极为高昂,造成巨大的经济损失。因此,精准掌握′相筏化对涡轮叶片破坏的影响规律,对合理安排航空发动机大修间隔、确定大修判废标准就显得极为重要。

在微观层面来讲,筏化是镍基高温合金内部′相尺寸和形貌变化的复杂过程,受涡轮叶片服役温度、时间、载荷和合金错配度等多种因素的影响。由于定向凝固/单晶镍基高温合金的力学性能与其′相的尺寸、形貌和分布密切相关。′相筏化会造成合金拉伸性能、疲劳寿命和蠕变寿命的显著降低,严重影响涡轮叶片的安全服役。此问题在中国尤为突出和严重,受设计和制造水平制约,发动机为了保持服役时的性能和推力经常工作在设计的高限状态,短时大功率紧急状态导致涡轮叶片局部温度甚至超过1 100 ℃。因此,为了保证运行安全,工程上必须要有服役涡轮叶片的筏化判废依据和评估服役叶片剩余安全寿命的能力。

目前涡轮叶片筏化普遍的判废方法是对叶片指定部位进行切片并制备金相试样,然后通过对微观组织进行目视观察,判定涡轮叶片报废或者继续服役。这种目视观察的判定方法基于定性原则,缺乏定量化的筏化状态表征参数。而要实现涡轮叶片寿命的精细化和科学化管理,对涡轮叶片微观组织状态的定量化表征是必不可少的。因此,如何对涡轮叶片的筏化状态进行量化表征是涡轮叶片大修判废的关键。近些年来由于计算机图像处理技术的发展,许多数字图像算法已经广泛应用于材料的微观组织表征。NASA针对涡轮盘用高温合金ME3内部析出相的形状因子和等效直径等微观参数进行了细致的统计分析。Kirka和Fullwood等针对CMSXS-4/8和CM247LC-DS高温合金利用互相关算法对′相尺寸进行了统计提取,研究了′相的筏化演化规律。Caccuri等基于线段截距分布原理发展了一种单晶合金微观参数提取方法。Yabansu和Gorgannejad等基于高斯回归和主成分分析等数据处理算法将合金的热处理条件与微观组织形貌建立了量化关系。从上述的研究进展来看,应用数字图像算法发展涡轮叶片筏化状态的量化表征方法,将会为发动机大修时涡轮叶片判废走向精细化和定量化提供有效途径。

在结构安全可靠性层面,限制涡轮叶片能否可持续服役的关键条件是涡轮叶片的强度和寿命储备是否充足。筏化不可避免地造成涡轮叶片高温力学性能的劣化,导致叶片剩余强度和寿命储备的下降。因此,探明筏化状态对涡轮叶片强度与寿命的劣化影响规律是确定涡轮叶片微观组织筏化使用极限的前提。Wood对燃气轮机热端部件剩余寿命与维修成本的关系开展研究并指出：耐久性在热端部件维修间隔的确定以及相应维修成本的预估过程中起到了举足轻重的作用。耐久性的决定因素就是微观组织退化对部件宏观力学性能的影响。筏化对定向凝固/单晶镍基合金力学性能的劣化作用已被普遍公认。国内外针对筏化对合金高温蠕变性能的影响已经开展了大量的研究工作,发现筏化在蠕变早期就已经完成,与之同时发生的粗化现象贯穿合金的整个服役周期。然而涡轮叶片的强度和寿命评估涉及持久和疲劳等多个层面,因此需要针对筏化引起力学性能的变化开展全面和系统评估。Sharghi-moshtaghin和Asgari对长时热暴露IN-738L合金开展拉伸实验,发现合金的拉伸性能随着热暴露时间的增加而降低。Ott和Mughrabi研究了筏化CMSX-4和CMSX-6单晶镍基高温合金的低循环疲劳性能,发现N型筏化导致合金基体通道相互联通,促进了裂纹的快速扩展,显著降低了合金的疲劳寿命。上述工作有益于认识筏化对涡轮叶片材料力学性能的劣化机理。然而,面向涡轮叶片的大修判废,仍亟需探明和建立筏化状态与涡轮叶片剩余强度和寿命储备的量化映射关系。

针对航空发动机涡轮叶片在服役过程中出现的微观组织筏化现象及其带来的涡轮叶片大修判废问题,发展了基于数字图像算法的服役涡轮叶片′相筏化量化表征方法；随后通过不同时间、应力和温度的预处理获得了不同微观组织筏化状态的涡轮叶片材料试样并开展高温疲劳实验,根据疲劳寿命衰减的程度确定了涡轮叶片筏化的量化阈值。应用上述方法对某型航空发动机不同服役时长的高压一级涡轮叶片进行微观组织筏化特征的定量分析和判定,为涡轮叶片微观组织筏化相关的大修间隔制定和判废从高温疲劳特性衰退的角度建立了一种行之有效的方法。

1 筏化的量化表征方法

1.1 涡轮叶片材料的微观特征

标准热处理状态下,由定向凝固/单晶高温合金制造的涡轮叶片在微观上呈近似周期的′/两相结构。如图1(a)所示,一般′相为立方体形貌,尺寸在300～600 nm之间,体积占比60%～70%。根据几何的周期性,可以将这种两相结构抽象为空间均匀分布的三维结构,如图1(b)所示。′/两相组织的微结构参数为：′相宽度、相宽度和周期相宽度。当合金处于标准热处理状态时,′相为规则的立方体结构,因此在3个晶体主方向上微结构参数大小相同,即==≡,为标准热处理状态下相宽度。但是长时间在高温和离心载荷下服役,叶片内部沿特定晶体主方向上的相就会由于元素的定向扩散变窄最终消失,导致′相形成类似于竹节的筏排状结构,如图1(c)和图1(d)所示。

图1 不同γ′相形貌SEM图和微结构参数Fig.1 SEM images and microstructural parameters of different γ′ morphology

发展并介绍2种关于涡轮叶片材料微观组织筏化的量化表征方法：一是基于图像数字特征信息,利用图像的互相关性对筏化的形貌和状态进行识别；二是基于图像的物理统计特征,通过对图形局部特征的统计分析,得到叶片微观组织的筏化状态。需要注意的是,本文所提到的筏化,并不是单纯′相形貌的变化,而是考虑到涡轮叶片整个服役周期中微观组织的退化现象,同时包含了服役′相形貌筏化和高温下尺寸变化的双重作用。

1.2 基于互相关算法的筏化特征识别方法

对于一般材料而言,可以定义微观变量的概率密度函数(,)来表示在空间点处检出材料微结构特征,如晶格取向、相尺寸和位错密度等的概率。不难发现,函数(,)满足：

(1)

对于离散的材料微观组织图像有：

∑(,)==1

(2)

式中：为离散图像的大小,即图像像素数的总和；为微观局部变量概率密度在整个图像域中的占比。在图像的特征提取中,往往需要所关注的特征具有一定的不变性,即图像的特征不随空间坐标的平移、旋转、放大和缩小发生变化。因此,需要引入互相关函数赋予(,)不变性,离散形式的微观组织两点互相关函数可以表示为

(3)

式中：(,′|)为互相关概率密度函数；′为图像偏移后微结构特征；为微结构特征的偏移量。不难发现,(,′|)实为材料的微结构特征概率密度函数(,)和(′,+)在空间域上的卷积。卷积运算保证了给定函数的空间变换正交不变性,使得图像特征在空间变换后仍旧能够被识别。在实际应用中,为了过滤高阶噪声,使得图像相关性特征更加平滑、周期性更强、计算速度更快,可以对式(3)引入快速傅里叶变换进行快速计算：

(4)

式中：为FFT变换后互相关函数概率密度；和′分别为频率域材料微结构特征概率密度函数；为相位角。

利用互相关算法对镍基合金的组织特征提取时,首先需要将合金的微观SEM图像进行二值化和灰度翻转处理,得到2张灰度相反的二值图像,见图2。此时,(,)中就代表了图像在指定位置的灰度值。应用式(4)对图2(a)和图2(b)进行互相关运算,就可以得到2张图片的空间域分布相关性图谱,如图3(a)所示。

图2 镍基合金微观结构二值图像和像素翻转图像Fig.2 Binary image of microstructure in Ni-based superalloy and its pixel flip image

在图像的纹理分析中,相关性图谱可以提供许多图像的特征,如纹理形貌、平均尺寸、粗糙度和取向等信息。图谱中心特征体现了沉淀相的形态、各向异性和取向特征,如图3(a)所示。一般粗纹理的相关系数衰减要快于细纹理。镍基合金中′相显然属于粗纹理特征,因此图谱沿主方向相关系数的首次衰减距离(原点到第一个波谷的距离)就反映了′相粒子的平均间距,即′/两相结构中的周期相宽度,如图3(b)所示。在涡轮叶片微观组织特征提取时,利用上述方法对涡轮叶片微观SEM图像进行相关性分析,就可以根据图谱中心特征判别′相的形貌信息,根据互相关概率密度在指定方向上的衰减曲线判断微结构参数尺寸的变化。

图3 镍基高温合金微观组织相关性分析结果Fig.3 Correlation processing results of microstructure of Ni-based superalloy

1.3 基于旋转截距的筏化特征提取方法

基于互相关算法的筏化特征识别方法依赖合金微观SEM图像的整体数字信息特征。如果要对服役涡轮叶片的筏化状态有更为细致和深入的认识,一些局部特征如′相宽度和相宽度也是必不可少的,因此就需要一种微观局部特征的统计提取办法。在单相组织特征旋转截距提取算法的基础上发展了适用于两相微观组织特征尺寸的提取方法,用以提取服役涡轮叶片微观′相和相尺寸特征。

算法基本原理如图4所示。对于给定的二值微观SEM图像,可以沿特定转角设置不同的测试弦,沿测试弦方向进行′相边缘节点检测。此处定义2种节点类型：沿测试弦进入′相的节点为′相前节点,离开′相的节点为′相后节点。前后节点根据图像像素值进行判定。定义()为位置处图像的像素值,F为前节点坐标,B为后节点坐标。若像素值为1则代表该处颜色为白色,反之像素值为0则该处为黑色。′相在二值图像中像素为黑色。沿测试弦根据相邻位置像素值的不同可以判定得到′相的前后节点坐标矩阵。

图4 旋转截距法获取镍基高温合金微观组织参数示例Fig.4 Illustration of using rotation intercept method to obtain microstructural parameters of Ni-based superalloy

对′相前后节点矩阵进行逐次递减运算就可以获得不同下′相宽度和相宽度的数据集。以5°为角增量对测试弦进行旋转并重复上述步骤,利用正态分布拟合取给定方向和的期望值。图5和图6给出了利用本文算法提取′相为立方体形貌和筏化形貌时某定向凝固镍基高温合金微结构参数和的结果。

图5 立方体形貌γ′/γ两相组织参数提取结果Fig.5 Extraction results of microstructural parameters of γ′/γ two-phase structure with cubic morphology

图6 完全筏化形貌γ′/γ两相组织参数提取结果Fig.6 Extraction results of microstructural parameters of γ′/γ two-phase structure with completely rafting morphology

基于旋转截距的筏化特征提取方法结果受微观SEM图像处理区域包含′相的数量和图像分辨率等多个因素的影响。若选定区域内′相数量过少,则会失去微观组织的统计特征,提取结果会受少数′相的影响；若给定区域图像分辨率过低,′相边界就会在图像二值化过程中漂移而无法准确识别,导致提取结果产生较大误差。一般标准热处理状态下单晶/定向凝固镍基高温合金中′相尺寸为300～600 nm,而在粗化和筏化过程中′相尺寸会逐渐增大,最大可超过1 000 nm。考虑到′相尺寸的变化,分析区域应尽可能地保留合金微观组织的统计特征,SEM图像放大倍数在6 000～10 000范围内较为合适。此外,也需要在金相试样制备时选择合理的抛光和腐蚀方法,保证分析区域内的′相粒子清晰可识别。

需要指出的是,SEM图像处理基于化学腐蚀,′相粒子二值化后为黑色,基体通道为白色。若采用电解腐蚀,则二值化后′相粒子二值化后为白色,此时需将二值图像进行灰度翻转,以满足算法要求。

1.4 筏化的量化表征

为了建立筏化状态与涡轮叶片宏观力学性能的定量关系,需要对叶片微观组织的筏化状态进行量化表征。筏化的量化表征参数有′相长宽比和特征宽度等。目前使用较为广泛的是由Fedelich等提出的基于相宽度变化的表征方法,其主要思想是将筏化和粗化对相宽度的影响进行分离。在给定温度下,若假设′相只发生粗化,相宽度可以表示为

=(1-13)

(5)

式中：为当前状态下′相的体积分数；为当前状态下′相宽度和通道相宽度之和。若只有筏化发生,相宽度可以表示为

=(1-)

(6)

无量纲筏化状态参数可以表示为

(7)

式中：分子代表′相尺寸的变化,分母代表′相形貌的变化。取值范围为0～1,0表示未发生筏化,1表示筏化已经完成。需要注意的是,此处的均为发生筏化取向上的宽度取值。一旦筏化完成,式(7)的取值就会恒定为1；同时,若只有粗化现象发生而无形貌变化,式(7)的取值则恒为0。但是涡轮叶片在实际服役过程中的微观组织退化同时包含了′相的粗化和筏化,而且在温度较高的位置,筏化在服役早期就已经完成,筏化完成之后各向同性粗化仍旧进行,导致力学性能持续恶化。若只考虑合金′相形貌的变化,即筏化作用,势必对服役涡轮叶片的微观组织退化评估不够全面。因此,需要提出一个能够同时考虑筏化和粗化作用的量化表征因子。因此,本文根据涡轮叶片服役过程中沿筏化方向相体积的相对变化量来对筏化和粗化的综合作用进行量化表征：

(8)

式中：参数和可由合金微观SEM图像利用1.2节和1.3节的特征提取算法获得。

2 筏化涡轮叶片材料的疲劳行为

2.1 试验材料及筏化处理方案

以某型航空发动机高压一级涡轮转子叶片材料为研究对象,通过服役条件模拟预处理获得了不同微观组织筏化状态的合金试样,随后开展疲劳试验,通过量化筏化状态与合金寿命的衰减规律确定该叶片服役微观组织筏化的状态阈值。该涡轮叶片材料为定向凝固镍基高温合金DZ125,试验用热处理制度与涡轮叶片一致。标准热处理状态下合金′相的体积分数为66.12%,宽度为0.384 μm。通道相的宽度为0.065 μm。

无载荷粗化预处理选取涡轮叶片典型工作温度850 ℃和980 ℃,共设置4种粗化处理条件：① 850 ℃/300 h；② 980 ℃/300 h；③ 980 ℃/600 h；④ 980 ℃/1 000 h。粗化处理直接用标准热处理下的DZ125合金铸棒在箱式高温炉中进行。因为′(相易在高温低应力状态下发生筏化,并且要防止试棒在筏化处理过程中断裂。因此,选取筏化处理温度为950、980和1 050 ℃,载荷范围为50～125 MPa,保载时间范围为30～100 h。共设置5种筏化处理条件：① 950 ℃/100 MPa/100 h；② 980 ℃/125 MPa/60 h；③ 1 050 ℃/50 MPa/30 h；④ 1 050 ℃/75 MPa/30 h；⑤ 1 050 ℃/100 MPa/30 h。不同粗化和筏化状态下合金的微观组织形貌如图7和图8所示。

图7 不同粗化状态下DZ125合金γ′相形貌Fig.7 Morphology of γ′ precipitates of superalloys DZ125 with different coarsening states

图8 不同筏化状态下DZ125合金γ′相形貌[29]Fig.8 Morphology of γ′ precipitates of superalloys DZ125 with different rafting states[29]

2.2 筏化状态与叶片疲劳寿命的量化映射

疲劳试样几何尺寸见图9,微观组织预处理和疲劳实验条件见表1。微观组织粗化和筏化对DZ125合金低周疲劳寿命的影响见图10。可以发现合金的疲劳寿命随着筏化因子的增加不断下降。当筏化程度为0.889 0时,其疲劳寿命中值由标准热处理状态的8 932降低为990,衰减超过85%。粗化合金的疲劳试验也显示出相同的规律。上述结果表明,微观组织粗化和筏化会严重劣化DZ125合金的疲劳性能。根据筏化因子与剩余疲劳寿命的变化关系可建立经验关系式：

=18 077exp(-33)

(9)

式中：为合金的疲劳寿命。Krika等及Ott和Mughrabi在研究微观组织退化镍基高温合金热机械疲劳和等温疲劳行为时发现,′相粗化和筏化都会造成合金试样疲劳寿命的显著降低,这与微观组织形貌的变化和′/两相组织界面位错网络的变化相关。此外,从图10可以发现当筏化因子大于0.4时,合金的疲劳寿命就会快速衰减,这表明0.4可能是服役涡轮叶片微观组织筏化对疲劳性能劣化影响的阈值。

图9 疲劳试样几何尺寸(单位：mm)Fig.9 Geometric dimensions of fatigue specimen (unit: mm)

表1 微观组织预处理和疲劳实验条件

图10 无量纲筏化因子与DZ125合金疲劳寿命关系Fig.10 Relationship between dimensionless rafting parameter and fatigue life of superalloys DZ125

2.3 筏化涡轮叶片材料的疲劳失效行为

对不同筏化状态试样的疲劳失效机制进行分析发现,微观组织筏化并不会改变试样裂纹萌生位置。本课题组在前期发展了服役涡轮叶片小尺寸试样取样技术,对不同服役时长的涡轮叶片进行了小尺寸试样取样并开展了高温疲劳实验,结果发现：无论是服役叶片取样试样、筏化预处理试样还是标准热处理状态下的合金试样,高温疲劳裂纹总是萌生于表面的氧化缺陷、近表面的碳化物和共晶或者铸造缺陷处,如图11所示。但是微观组织筏化会显著降低合金抵抗塑性变形的能力,试验结果发现筏化试样的屈服强度相比标准热处理试样会显著降低,如图12所示。这说明在循环加载过程中,筏化试样会累积更多的塑性变形,导致试样提前失效。此外,Ott和Mughrabi也指出与外载荷垂直筏化形貌加速了疲劳裂纹的扩展,也会造成过早的疲劳失效。

图11 疲劳裂纹萌生[29-30]Fig.11 Fatigue rack initiation [29-30]

图12 不同筏化状态DZ125合金试样循环变形曲线Fig.12 Cyclic deformation curves of superalloys DZ125 in different rafting states

3 某型服役涡轮叶片的筏化特征及判定

3.1 服役涡轮叶片的微观组织观察方案

根据文献[34]中该型涡轮叶片的温度和应力场分析可以发现,叶片60%叶高前缘及77%叶高尾缘位置处温度较高,微观组织可能会严重退化。此外,叶根截面位置Mises应力较高,也需要重点关注。因此确定叶根、60%叶高、77%叶高和叶尖截面为涡轮叶片微观组织观察截面,如图13(a)所示。每个截面绕叶型共选定6个观察位置,如图13(b)所示。考虑到筏化方向的取向相关性,观察方向垂直于叶片晶粒的生长方向。共选取3类服役时长的叶片进行微观组织分析。需要说明的是,这3类叶片虽服役时间不同,但均为大修厂判废封存叶片。本文重点讨论由于服役历程带来的涡轮叶片微观组织筏化的位置相关性,具体金相试样制备和微观组织观察方法可参见文献[30,33]。

图13 服役涡轮叶片微观组织观察方案[30]Fig.13 Microstructure observation scheme of serviced turbine blades[30]

3.2 服役涡轮叶片的筏化特征量化分析

图14给出了不同服役时长涡轮叶片前缘不同叶高截面处的′/两相组织形貌。3种服役状态下,叶片前缘60%叶高处′相筏化最为严重,77%叶高处次之。这是因为这2个位置服役温度较高,导致筏化剧烈。叶根截面虽然承受的离心载荷较大,但是由于服役温度较低,′相的筏化不明显。图15为应用1.2节中互相关算法对图14中不同位置SEM图片处理得到的相关性空间分布图谱。可以发现,伴随着微观组织的筏化,相关性图谱中心图案由标准热处理的菱形开始朝着扁平的椭圆变化,且筏化越严重中心椭圆的长短轴之比越大。

图14 不同服役时长涡轮叶片前缘微观组织形貌[31]Fig.14 Microstructural morphology at leading edge of turbine blades after different service periods[31]

图15 不同服役时长涡轮叶片前缘微观组织相关性图谱Fig.15 Microstructural correlation map at leading edge of turbine blades after different service periods

图16给出了不同服役时长涡轮叶片60%叶高处6个观察位置的微观组织形貌。3类叶片除前缘外,叶背60%叶高处微观组织退化也较为明显。此外,1.0大修间隔的叶片在尾缘位置也观察到了明显的微观组织筏化现象。但是1.5和2.0大修间隔的2类叶片在相同位置处′相形貌基本无变化,这可能与单台发动机的服役历程相关。应用1.3节中旋转截距筏化特征提取算法对涡轮叶片不同位置处的′相宽度、′相宽度和周期相宽度进行提取,并根据式(8)计算无量纲筏化因子,结果如图17所示。可以发现,3类叶片均是前缘60%叶高处筏化因子最大,这与前文中定性分析结果一致。3类叶片筏化严重程度排序依次为1.5、2.0和1.0,与服役时间并不是正相关,推测这与发动机的服役历程相关,1.5大修间隔的涡轮叶片虽然服役时间低于2.0大修间隔的叶片,但是可能承受更为严酷的载荷条件。

图16 不同服役时长涡轮叶片60%叶高微观组织形貌[31]Fig.16 Microstructural morphology at 60% height section of turbine blades after different service periods[31]

通过图17的分析可以发现,1.5和2.0大修间隔的涡轮叶片前缘60%叶高处的筏化因子都已经超过0.4。结合图10合金疲劳寿命的衰减情况,说明这2类叶片已经失去了足够的疲劳寿命储备,应当判废,这与大修厂判定的结果也是一致的。1.0大修间隔的涡轮叶片最大筏化因子虽然不到0.4,但是大修厂判定结果也是报废。一方面这与人工判定的主观因素相关,另一方面涡轮叶片作为影响发动机服役安全的关键部件,工程实践中保证足够的安全储备也是必须的。

4 结 论

涡轮叶片作为航空发动机服役环境最为恶劣的热端部件,微观组织筏化及其带来的判废和大修间隔制定,定寿与延寿等问题严重阻碍发动机的高性能、高可靠性和高经济性运行与维护。介绍了基于数字图像方法的涡轮叶片微观组织筏化量化表征方法；通过实验室粗化和筏化预处理试样的高温疲劳试验确定了微观组织粗化和筏化对疲劳性能劣化的阈值,以高温疲劳性能劣化为标尺探明了涡轮叶片服役微观组织筏化状态的安全边界,为涡轮叶片的大修间隔的制定和判废提供了可行的理论和技术方法。然而,限制涡轮叶片安全服役的强度设计指标涉及静强度、持久/蠕变、热机械疲劳以及高循环疲劳等多个方面。因此,必须要开展全面的微观组织退化相关的叶片强度及力学性能的研究,才能使发动机的服役寿命健康管理从传统的粗放式走向精细化,在高可靠性和高经济性的安全边界内材尽其用。