小編注：
高壓渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)含量最高的零部件，其價(jià)格也不菲，不到巴掌大的一片和一輛速騰差不多。本文展示的就是這種渦輪葉片的裂紋失效分析報(bào)告，也許很多無損檢測的同行看不明白，不過沒問題，所謂內(nèi)行看門道，外行看熱鬧，分享給大家主要目的就是了解對(duì)于金屬構(gòu)件失效分析的一個(gè)基本流程和思路，僅供參考。
1概述
某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)（編號(hào)為XXX）累計(jì)運(yùn)行29000小時(shí)后，大修過程中，分解檢查發(fā)現(xiàn)大量高壓渦輪一級(jí)葉片出現(xiàn)裂紋。一級(jí)渦輪葉片共88件，其中86件在排氣邊氣膜孔附近出現(xiàn)裂紋，材料為N5單晶高溫合金（對(duì)應(yīng)國內(nèi)DD5單晶高溫合金），表面Pt+Al涂層處理，單晶空心葉片，不帶葉冠。
本報(bào)告對(duì)開裂的高壓渦輪葉片外觀進(jìn)行觀察，對(duì)葉片進(jìn)行熒光滲透檢測，對(duì)裂紋斷口進(jìn)行宏微觀觀察和能譜分析，結(jié)合葉片金相組織檢測結(jié)果，確定了渦輪葉片的失效性質(zhì)，并分析了其失效原因。
（小編注：此種高壓渦輪葉片表面帶有Pt-Al涂層，在進(jìn)行熒光滲透檢測之前，已經(jīng)采取了特殊的化學(xué)清洗方法將其去除）。
2 試驗(yàn)過程與結(jié)果
2.1無損檢測
渦輪葉片熒光滲透顯示可見大量的垂直于葉身方向裂紋，裂紋分布于緣板至葉尖范圍，靠葉盆排氣邊氣膜孔附近，見圖1。
圖1 高壓一級(jí)渦輪葉片熒光顯示及裂紋形態(tài)
2.2 外觀觀察
該渦輪葉片葉盆、葉背和葉尖等部位完好，均未見損傷特征，見圖2a~2c；只是在葉盆排氣邊氣膜孔附近可見大量的垂直于葉身方向裂紋，裂紋最長約15mm，見圖2d。
（a）葉盆側(cè)
（b）葉背側(cè)
（c）葉尖
（d）裂紋形貌
圖2 渦輪葉片宏觀觀察
2.3 裂紋微觀觀察
高壓渦輪葉片葉盆排氣邊氣膜孔附近可見大量的垂直于葉身方向裂紋，裂紋最長約15mm，見圖3。
圖3 高壓一級(jí)渦輪葉片裂紋微觀形貌
2.4 斷口宏觀觀察
將渦輪葉片裂紋人為打開后進(jìn)行宏觀觀察。渦輪葉片裂紋斷口呈多個(gè)平坦斷面，各斷面存在一定的高差，斷面呈淡藍(lán)色，整個(gè)裂紋斷口長度約為8.2mm。
各斷面形貌基本相似，呈線源，位于葉盆側(cè)表面，可見大量的從源區(qū)發(fā)散的放射棱線，裂紋沿著葉片厚度方向擴(kuò)展，裂紋斷面與人為打開斷面可見弧形分界，見圖4。
圖4 渦輪葉片裂紋斷口宏觀形貌
2.5 斷口微觀觀察
將渦輪葉片裂紋人為打開斷口經(jīng)超聲波清洗后進(jìn)行微觀觀察。
葉片斷口可見2個(gè)臺(tái)階，形成了3個(gè)平坦斷面，分別編號(hào)為1區(qū)~3區(qū)，見圖5。
1區(qū)斷面平坦，源區(qū)位于葉盆側(cè)，呈線源，見圖6a；源區(qū)氧化嚴(yán)重，未見冶金缺陷，見圖6b~6d；斷口可見大量的從葉盆向內(nèi)腔擴(kuò)散的放射棱線，裂紋擴(kuò)展區(qū)氧化嚴(yán)重，隱約可見疲勞特征，見圖6e；裂紋擴(kuò)展后期和人為打開區(qū)可見弧形分界，擴(kuò)展后期可見類似疲勞特征，見圖6f；人為打開區(qū)呈韌窩+滑移形貌，見圖6g。
（g）人為打開區(qū)韌窩+滑移形貌
圖6 1區(qū)微觀形貌
2區(qū)斷面與1區(qū)斷面基本相似，只是2區(qū)斷面的擴(kuò)展棱線粗大。
2區(qū)斷面平坦，源區(qū)位于葉盆側(cè)，呈線源，見圖7a；源區(qū)氧化嚴(yán)重，未見冶金缺陷，見圖7b；斷口可見大量的從葉盆向內(nèi)腔擴(kuò)散的放射棱線，裂紋擴(kuò)展區(qū)氧化嚴(yán)重，可見類似疲勞特征，見圖7c。
3區(qū)斷面與1區(qū)斷面形貌相似，3區(qū)斷面的擴(kuò)展棱線較大。3區(qū)斷面平坦，源區(qū)位于葉盆側(cè)，呈線源，見圖8a；源區(qū)氧化嚴(yán)重，未見冶金缺陷，見圖8b；斷面可見大量的從葉盆向內(nèi)腔擴(kuò)散的放射棱線，裂紋擴(kuò)展區(qū)可見氧化和疲勞特征，見圖8c；人為打開區(qū)呈韌窩+滑移形貌，見圖8d。
圖8 3區(qū)微觀形貌
2.6 能譜分析
對(duì)渦輪葉片裂紋斷口各區(qū)域進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表1。由表可知，葉片斷口上除了可見大量的O元素外，還可見少量的Si元素，分析認(rèn)為與裂紋張開后斷口受到污染有關(guān)。另外在斷口上Mo和Re元素基本未見。
2.7 金相組織檢查
在渦輪葉片裂紋附近平行于裂紋方向制取金相試樣，磨制拋光后進(jìn)行金相組織觀察。
為方便描述，渦輪葉片從進(jìn)氣邊開始分別編號(hào)為1~8腔，見圖9a。8腔組織γ′相發(fā)生聚集、長大，充分粗化并連接形成筏排現(xiàn)象，且出現(xiàn)有害針狀TCP不穩(wěn)定相，見圖9b，主要含量為W和Re元素，能譜分析結(jié)果見表2和圖11；
7腔組織γ′相發(fā)生聚集、長大，充分粗化并連接形成筏排現(xiàn)象，未見針狀TCP不穩(wěn)定相，見圖9c；1~6腔組織γ′相略有長大，立方化形態(tài)沒有明顯改變，見圖9d~9f。
葉片內(nèi)腔可見致密的涂層，外腔未見涂層，本批葉片在做無損檢測時(shí)表面涂層已去除，見圖10。
（a）低倍形貌
（b）8腔金相組織形貌
（c）7腔金相組織形貌
（d）5腔和6腔金相組織形貌
（e）3腔和4腔金相組織形貌（
f）1腔和2腔金相組織形貌
圖9 一級(jí)渦輪葉片金相組織形貌
（d）外表面形貌
圖10 一級(jí)渦輪葉片表面涂層形貌
（a）能譜分析位置
（b）1#位置能譜分析結(jié)果
（c）2#位置能譜分析結(jié)果
（d）3#位置能譜分析結(jié)果
（e）4#位置能譜分析結(jié)果
圖11 一級(jí)渦輪葉片1腔金相能譜分析結(jié)果
3 分析與討論
3.1 渦輪葉片開裂性質(zhì)
渦輪葉片葉盆排氣邊可見大量的垂直于葉身寬度方向的裂紋，裂紋呈多個(gè)線源，位于葉盆側(cè)表面，未見冶金缺陷；斷口可見明顯放射棱線，從葉盆側(cè)向葉片內(nèi)腔方向擴(kuò)展，擴(kuò)展前期氧化嚴(yán)重，未見由于高溫蠕變而引起的方形小平面特征，擴(kuò)展后期可見疲勞特征；
對(duì)比單晶合金疲勞斷裂和高溫蠕變斷口典型特征，可知疲勞斷口裂紋擴(kuò)展前期呈滑移特征，擴(kuò)展中后期可見疲勞特征（見圖12），而高溫蠕變斷口源區(qū)可見大量的氧化形貌，且主要從葉片材料內(nèi)部的方形小平面上的孔洞起源，沿著方形小平面擴(kuò)展，最后方形小平面連接并發(fā)生斷裂（見圖13），結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)葉片工作時(shí)承受的是交變應(yīng)力，綜合可判斷此高壓一級(jí)渦輪葉片開裂性質(zhì)為疲勞開裂
圖12 單晶葉片高周疲勞斷口微觀形貌
圖13 單晶材料高溫持久蠕變斷口典型特征
3.2 渦輪葉片開裂原因
高壓渦輪葉片排氣邊裂紋附近金相組織的γ′相發(fā)生聚集、長大，充分粗化并連接的筏排現(xiàn)象，且出現(xiàn)有害針狀TCP不穩(wěn)定相，見圖14a，主要含量為W和Re元素。Re元素會(huì)促進(jìn)高溫合金長期時(shí)效過程中不穩(wěn)定相的形成，并且隨時(shí)效時(shí)間的延長和時(shí)效溫度的升高，有害相析出的傾向性增大。
研究表明，DD6合金在980℃、長期時(shí)效1000h過程中γ′相略有長大，立方化形態(tài)沒有明顯改變，未發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定相析出；1070℃長期時(shí)效，隨時(shí)效時(shí)間的延長，合金γ′相發(fā)生聚集、長大、筏排，時(shí)效1000h，充分粗化并連接，可見TCP不穩(wěn)定相析出。γ′相的長大粗化有利于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致長期時(shí)效后高溫持久壽命和疲勞壽命的降低。
一般來說，單晶高溫合金發(fā)生γ′相筏排和TCP不穩(wěn)定相形成是所經(jīng)歷的溫度、應(yīng)力和時(shí)間等綜合作用的結(jié)果。一級(jí)渦輪葉片同一截面排氣邊8腔組織出現(xiàn)大量的TCP不穩(wěn)定相，而進(jìn)氣邊1腔的組織未見TCP相，同截面情況下，表明排氣邊承受的溫度較高，因此可判斷造成渦輪葉片排氣邊裂紋及TCP相形成主要與較高溫度有關(guān)。
查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，單晶葉片未見長時(shí)間組織變化方面的研究，但從機(jī)理上來說，長時(shí)間的高溫必然導(dǎo)致材料性能降低，具體降低的幅度和影響多大，可進(jìn)行一系列相關(guān)超長時(shí)間高溫蠕變加速試驗(yàn)的研究進(jìn)行驗(yàn)證。
另外還可解剖經(jīng)歷相同時(shí)間的葉片進(jìn)行組織分析，以確定長時(shí)間的工作對(duì)本次故障的直接影響程度。單晶高溫合金在經(jīng)歷了較長時(shí)間作用下發(fā)生筏排，致使材料性能弱化，在工作應(yīng)力作用下發(fā)生了疲勞開裂。
綜合以上分析可知，此高壓渦輪葉片裂紋性質(zhì)定為疲勞開裂，其失效原因是渦輪葉片在長時(shí)較高溫度作用下致使材料性能下降，在交變工作應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞開裂。
圖14 對(duì)比R1437裂紋附近金相組織和N5合金標(biāo)準(zhǔn)熱處理后金相組織
4 結(jié)論
高壓渦輪葉片裂紋性質(zhì)為疲勞開裂。渦輪葉片在長時(shí)較高溫度作用下致使材料性能下降，在交變工作應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞開裂。
小編注：此單晶渦輪葉片為美國GE公司生產(chǎn)，GE公司已經(jīng)對(duì)此葉片做出了改型，主要是改變了葉盆排氣邊氣?？椎脑O(shè)計(jì)（增加了氣?？椎臄?shù)量），降低該區(qū)域溫度。
