某型发动机二级导向器叶片变形和裂纹分析

[摘要]　对一种发动机导向器叶片的变形、裂纹及其断口进行金相和电镜分析。结果表明，发动机温度场不均匀，出现局部高温，致使导向器叶片产生过烧，造成变形和裂纹。

Analysis on Deformation ａnd Cracks of
an Engine Stage Ⅱ Nozzle Vanes

Liu Qingquan
（Xingyi Machinery Factory）

［Abstract］　The paper gives analysis to the tests on deformation cracks ａnd fracture of an engines nozzle vanes done by metallographic ａnd scan electromicroscope methods.The results show that the non-unibormity of engine temperature fields ａnd the partial high temperature lead to overheat of the nozzle vanes ａnd result in deformation ａnd cracks.
Keywordsoverheat　deformation　crack　superalloy　thermal stress

1　概述
　　某型发动机在工厂飞行两个起落（约3h）后检查，发现发动机二级导向器叶片的进气边变形和出现裂纹，后来又相继发现14台发动机出现类似故障。根据统计，故障叶片的位置均集中在1^＃，5^＃和31^＃上，其中以5^＃位置的叶片变形最为严重，出现的次数最多，有的变形量已达10mm以上，叶片变形后明显弯曲，致使其小轴从结合环孔中抽出，叶片向后倾斜和二级涡轮叶片相磨。
　　本文取P7830141号发动机的5^＃叶片（该叶片的铸造炉号为82D1324）进行理化分析，以便找出叶片变形和产生裂纹的原因。

2　试验结果
2.1　外观检查
　　5^＃故障叶片外观如图1所示。在进气边叶盆面上有一条长为13.96mm的横向主裂纹，距小安装板为21.8mm，在主裂纹下方10.3mm处还有一条4.2mm长的小裂纹，在主裂纹两侧有明显的皱纹，这种皱纹从进气边到排气边由宽变窄，并逐渐消逝，皱纹区呈灰白色。在主裂纹的附近，叶片向叶背方向弯曲和严重变形。
2.2　材质检查
　　某型发动机二级导向器叶片用K403镍基铸造高温合金精铸而成，从故障叶片的4^＃位置（图1）切取试样，化学成分分析结果如下表所示。　

图1　5^＃故障叶片（叶盆面）外观形貌
Fig.1　Appearance of the failed 5^＃ vane （face）

　　由表1可知，除B元素比技术条件要求略低外，其他元素均符合技术要求。
Table 1　Chemical composition of the failed 5^＃ blade

表　5^＃故障叶片化学成分分析结果

图2　主裂纹形貌及其组织　2×
Fig.2　Morphology of main crack in the failed vane

图3　图2的放大　9.2×
Fig.3　Higher magnification photograph showing the same crack from above figure

2.4　电镜观察
　　在叶身不同部位切取金相试样，二次碳复型，用透射电镜观察故障叶片不同部位的高倍组织。
　　首先，沿叶身纵向分别在1^＃，2^＃和3^＃位置（详见图1）取样，电镜观察结果如图4。由图4可见，1^＃位置靠近小安装板外，距主裂纹22.3mm；2^＃位置靠近主裂纹下面的皱纹处；3^＃位置靠近大安装板处，距主裂纹80mm。可知，1^＃位置γ′相及碳化物基本正常，但γ′相略有长大；2^＃位置γ′相全部溶解，在叶身冷却时，又重新析出二次细小的γ′相，证明该处的温度已超出K403合金γ′相完全溶解的温度；3^＃位置γ′相和碳化物正常，因为此处靠近大安装板，温度较低。

图4　沿故障叶片叶身纵向不同部位的组织　5000×
Fig.4　Micrographs of the failed vane in its different positions along a lingitudinal direction

　　其次，沿主裂纹扩展方向（叶身横向）分九个部位观察故障叶片的电镜组织，每个部位的范围约为1.75mm，观察位置距裂纹的边缘为0.8mm（如图3中箭头所示），观察结果如图5所示。由图5可以看出，从进气边缘的第1部位至第4部位，γ′相完全溶解，空冷后又重新析出二次细小的γ′相，还残留部分碳化物，可见，这些部位的实际工作温度已超过K403合金的γ′相完全溶解温度；从第5部位到第7部位组织形貌基本相同，一次γ′相大部分溶解，并析出二次细小的γ′相，残留一小部分一次γ′相和碳化物，这些部位的实际工作温度也相当高，已经接近γ′相完全溶解的温度；第8至第9部位有少量的一次γ′相溶解，伴随着二次γ′相析出。

（1）1～4部位　　　　　　　（2）5～7部位　　　　　　　（3）8～9部位
图5　故障叶片沿叶身横向不同部位的组织　5000×
Fig.5　Micrographs of the failed vane in its different positions along a transverse direction

2.5　模拟试验
　　为确定K403合金γ′相完全溶解的温度，特做了两个模拟试验：#p#分页标题#e#
　　（1）对K403合金采用不同的加热温度，用金相、电镜方法观察γ′相形态，测得K403合金γ′相完全溶解的温度为1210℃，如图6所示。

图6　K403合金1210℃加热后电镜组织　5000×
Fig.6　Electron micrograph of K403 alloy heated at 1210℃

　　（2）对K403合金在同一个加热温度（1250℃）下，采用不同的保温时间，用金相、电镜方法观察γ′相的形态，测得K403合金在1250℃下，加热3min足以使γ′相完全溶解，如图7所示。

图7　K403合金1250℃3min后的电镜组织　6000×
Fig.7　Electron micrograph of K403 alloy
heated at 1210℃ for 3min

2.6　断口分析
　　宏观断口如图8。由图8可见，裂纹起于进气边，裂纹扩展方向与进气边相垂直；断口粗糙，高低不平；裂纹源区（进气边圆角R处）柱晶方向不明显，晶粒细小，这可能与进气边表层出现初熔组织有关。整个断口属于沿晶断裂。
　　碳二次复型和透射电镜观察，断口源区沿晶断裂形貌如图9所示。

图8　5^＃故障叶片的宏观断口　6×
Fig.8　Macro-fracture of the failed 5^＃ vane

图9　5^＃故障叶片进气边断口形貌　5000×
Fig.9　Fracture morphology of leading edge of the failed 5^＃ vane

3　讨论
3.1　二级导向器叶片的工作温度
　　二级导向器叶片材料为K403镍基铸造高温合金，其正常工作温度为950℃左右。试验证明：进气边皱纹处γ′相完全溶解，金相组织发生变化，导致合金性能下降。模拟试验测出K403合金γ′相完全溶解的温度为1210℃，可见二级导向器叶片实际工作温度远超出正常工作温度，高达1200℃以上。在这样高的工作温度下，合金的主要强化相γ′在几分钟之内便会完全溶解，合金产生过热或过烧，强度和塑性急剧下降。前苏联资料报导，ЖС-6К镍基铸造高温合金在1030℃时的持久强度比900℃时要下降1/3；高温瞬时强度在1100℃时比900℃时要下降2/3。因此超温过热或过烧是导致二级导向器叶片变形和裂纹的主导因素。
3.2　二级导向器叶片的热应力
　　在发动机正常工作状态下，二级导向器叶片承受较小的振动应力和热应力。当发动机温度场不均匀时，叶片进气边局部区域承受1200℃以上的高温，受热部位急剧升温，叶身的热膨胀，一方面由于叶身受热不均匀，在内部受到约束，另一方面在外部受到机匣和结合环的约束。在双重约束力的作用下，热膨胀受阻，于是在叶身内部产生极大的热应力，当这种热应力的水平超过材料的屈服强度时，叶身便产生塑性变形；当超过强度极限时，叶身便发生断裂。可见，二级导向器叶片的变形和裂纹是热应力作用的结果，而这种导致叶片变形和开裂的热应力，主要来源于叶片进气边的超温作用。

4　结论
　　（1）二级导向器叶片的材质符合技术条件的要求；在裂纹的起始部位和扩展区均未发现冶金缺陷；叶片的变形和裂纹与材质无关。#p#分页标题#e#
　　（2）发动机温度场不均匀，在固定部位（1^＃，5^＃，31^＃部位）出现局部高温区，其最高热点温度大于1200℃，致使二级导向器叶片进气边产生过热或过烧，造成叶片变形和裂纹。

5　建议
　　设计和使用部门从结构、燃烧系统、使用维护、调试等各方面，查明发动机强度场不均匀的原因，采取相应的改正措施。