（载运工具运用工程专业论文）一种增压器涡轮盘和涡轮叶片短时超温损伤分析.pdf

中文摘要 摘要 本文利用扫描电子显微镜( s e m ) 、光学显微镜( o p m ，和x 射线衍射仪( x r d ) 等实验手段，对涡轮盘材料g h 2 0 3 6 和涡轮叶片材料k 4 1 8 高温短时时效模拟处理 样品进行了微观组织研究，确定出过热损伤组织形貌特征，并对增压器涡轮盘和 涡轮叶片热损伤进行了失效原因分析。主要结论如下： ( 1 ) 模拟高温短时时效研究： 随着短时时效温度升高，k 4 1 8 合金的主要相组成未发生明显变化，仍为y 、 丫，和m c 相，但丫，相的点阵常数随着时效温度的提高略有增大。 随着短时时效温度升高，k 4 1 8 合金中的矿开始聚集长大，且不断粗化。当温 度超过丫溶解限时，y 开始回溶且其数量减少。当时效温度达到1 2 0 0 。c 时，局部出 现典型的过烧特征一( 丫+ 丫) 共晶组织初熔现象。随着时效温度的升高，k 4 1 8 合金基 体硬度略有增加。 随着短时时效温度升高，g h 2 0 3 6 合金的碳化物沉淀析出区面积逐渐减少， 沿晶链状碳化物明显长大。碳化物沉淀区的显微硬度大于非碳化物沉淀区的显微 硬度，且随着时效温度的升高，无论沉淀区还是非沉淀区，硬度均呈下降趋势。 ( 2 ) 涡轮盘和涡轮叶片热损伤分析： 失效叶片服役环境温度过高，短时温度超过了合金固相线，使得叶身出现 了竹，共晶相回熔、晶界局部熔化和微熔等热损伤现象，降低了叶片的疲劳强度， 引起叶片叶身萌生疲劳裂纹，导致其发生多源疲劳断裂。失效叶片的组织形貌与 其未损伤样品在1 2 0 0 x l h 高温短时时效的组织形貌特征相似、硬度也相当。 失效涡轮盘腹板与气封圈之间发生剧烈摩擦，致使涡轮盘摩擦表层温度急 剧升高，降低了摩擦表层的屈服强度和断裂强度，最终导致涡轮盘腹板表层径向 开裂失效。涡轮盘严重磨损表层的组织形貌与其未损伤样品在11 5 0 。c x l h 高温短 时时效的组织形貌特征相似、硬度也相当。 关键词：k 4 1 8 ；g h 2 0 3 6 ；高温短时时效；过热组织；损伤分析 英文摘要 a b s t r a c t m o r p h o l o g yd e v e l o p m e n to fk 4 18a n dg h 2 0 3 6h i 曲一t e m p e r a t u r ea l l o y sd u r i n g 1 1 i 曲一t e m p e r a t u r ea n ds h o r t - t i m ea g i n gw a si n v e s t i g a t e db ys e m ，o p ma n dx r d t o e v a l u a t et h eo v e r h e a t i n gd a m a g em i c r o s t r u c t u r ef e a t u r e s t h ef a i l u r ea n a l y s i sw a s c o n d u c t e do nt h eo v e r h e a t i n g - d a m a g e dt u r b o - b l a d e sa n dt u r b o d i s ku s e di nl o c o m o t i v e t u r b o c h a r g e r t h em a i nr e s u l t sw e r ec o n c l u d e da sf o l l o w s ： ( 1 ) h i 曲一t e m p e r a t u r ea n ds h o r t - t i m ea g i n gp r o c e s s ： t h ep h a s e sc o n s t i t u t e jo fk 418a l l o yh a v en oc h a n g e sd u r i n ga g i n g ，w h i c ha r e s t i l lc o m p o s e do f ) - a u s t e n i t e ，y - n i 3 ( a l ，t i ) a n dm c c a r b i d e h o w e v e r ，t h el a t t i c e p a r a m e t e ro frp h a s ei n c r e a s e ss l i g h t l yw i t ha g i n gt e m p e r a t u r e 丫，p h a s ew o u l da g g r e g a t e dg r a d u a l l ya n dg r e w - u pw i t ha g i n gt e m p e r a t u r e r e - s o l u t i o no f 丫，p h a s ew o r l dt a k ep l a c ea n dt h ea m o u n to f 丫，p h a s ew o u l dd e c r e a s e w h e na g i n gt e m p e r a t u r ea t t a i n e dt ot h es o l v u st e m p e r a t u r eo f 丫，- p h a l s e t h eb u m - o f f m i c r o s t m c t u r e ，s u c h 嬲r e m e l t i n ge u t e c f i cp h a s e s 付岬) ，r e m e t i n gb o u n d a r ya n d d e g r a d e dc a r b i d ew o u l da p p e a ri nt h el o c a t e dr e g i o nw h e na g i n ga t 12 0 0 。c t h e h a r d n e s so fk 418a l l o yi n c r e a s e ss l i g h t l yw i t ha g i n gt e m p e r a t u r e t h ea r e ao fc a r b i d ep r e c i p i t a t i o nz o n eo fg h 2 0 3 6a l l o yd e c r e a s e sg r a d u a l l y 、析t 1 1 a g i n gt e m p e r a t u r e a n d i n t e r g r a n u l a r c a r b i d e g r o w u po b v i o u s l y t h e m i c r o h a r d n e s si nc a r b i d ep r e c i p i t a t i o nz o n ei sh i g h e rt h a no n ei nn o c a r b i d e p r e c i p i t a t i o nz o n e a n dt h e m i c r o - h a r d n e s sd e c r e a s e si nt w oz o n e sw i t ha g i n g t e m p e r a t u r e ( 2 ) o v e r h e a td a m a g ea n a l y s i so nt h ef a i l e dt u r b o b l a d ea n dt u r b o - d i s k ： m e l t i n go ft h eb o u n d a r y ，d e g r a d e di n t e r d e n d r i t i cc a r b i d e sa n dr e m e l t i n go f e u t e c t i cp h a s e s0 岬7 ) ，t y p i c a lo fo v e r h e a td a m a g eo c c u r r e do nt h em i d a i r f o i lo fb l a d e s ， w h i c hd e c r e a s ef a t i g u es t r e n g t ho ft h eb l a d e t h em u l t i p l e o r i g i n sf a t i g u ef r a c t u r et o o k p l a c eo nt h eb l a d e s t h ef r a c t u r e db l a d e sh a v es i m i l a rm i c r o s t r u c t u r et ot h es p e c i m e n a g e da t12 0 0 。c ，a n dt h eh a r d n e s so ft h e 丘a e t u r e db l a d ec o r r e s p o n d st ot h eh a r d n e s so f t h es p e c i m e na g e da t1 2 0 0 英文摘要 o v e r h e a t i n gd u r i n gt h eo p e r a t i o no ft u r b o d i s kr e s u l t i n gf r o mt h ei n t e n s e f r i c t i o nb e t w e e nt h ea i r s e a la n dt h eb a c kf a c eo fd i s kw a sf o u n d ，w h i c hw a sr e f l e c t e d b ym i c r o s t r u c t u r ef e a t u r e s t h ey i e l ds t r e n g t ha n df r a c t u r e s t r e n g t ho ft h er u b b e dd i s k s u r f a c ed e c r e a s e dr e s u l t i n gf r o mo v e r h e a t i n g t h em i c r o s t r u c t u r eo fd i s ks u r f a c e i n t e n s e l yw o r i lh a ss i m i l a rf e a t u r e st ot h es p e c i m e na g e da t1 15 0 。c ，a n dt h eh a r d n e s so f f a i l e db l a d e sc o r r e s p o n d st ot h es p e c i m e n a g e da t115 0 c k e yw o r d s ：k 4 1 8h i g h - t e m p e r a t u r ea l l o y ：g h 2 0 3 6h i g h - t e m p e r a t u r ea l l o y ：h i g h - t e m p e r a t u r ea n ds h o r t - t i m ea g i n g ；o v e r h e a t e ds t r u c t u r e ；o v e r h e a t d a m a g ea n a l y s i s 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明： 撰写成硕士学位论文 本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 中已经注明引用的内容 。除论文 均已在文 中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公 开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：样 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 一刊砰日。莩就产 一种增压器涡轮盘和涡轮叶片短时超温损伤分析 第1 章绪论 1 1 概述 涡轮增压器是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。自涡轮增压技 术概念提出至今已有百年时间了，在这百年的时间里，随着技术的不断改进，其 在航天、航海及陆地机械上得到了广泛的应用。特别是车辆的广泛应用及当前人 们对车辆节能、功率和环保要求的不断提高，为车用涡轮增压技术的应用、发展 和进步提供了广阔的空间和需求【l 】。 涡轮增压器安装在发动机的进排气歧管上，利用发动机排出的废气惯性冲力 来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送 来的空气，使之增压进入气缸。由于处在高温，高压和高速运转的工作状况下， 其工作环境非常恶劣，工作要求又比较苛刻，因此对制造的材料和加工技术都要 求很高【2 训。 目前国内外对于涡轮叶片及涡轮盘的制造都采用高温合金材料，高温合金是 指以铁、镍、钴为基，能在6 0 0 以上高温抗氧化或抗腐蚀，并能在一定应力作用 下长期工作的一类合金材料，因其合金化程度很高，在英、美国家称之为超合金 ( s u p e r a l l o y ) 【5 1 。高温合金具有耐高温、高强韧、抗氧化、可加工性和良好的导热 性，具有较全面的综合性能。但随着发动机涡轮进口温度的不断提高，高温合金 由于熔点的限制，最高使用温度已经不能满足需要。不仅如此，由于工作温度过 高，已经出现因高温引起零部件失效的现象。 k 4 1 8 和g h 2 0 3 6 是国内外常用的制造涡轮叶片及涡轮盘的高温合金，本文通 过对k 4 18 和g h 2 0 3 6 合金进行高温短时时效模拟处理试验，研究过热组织对其性 能的影响，对提高涡轮盘及涡轮叶片的设计水平、工艺水平及维修水平有重要意 义。 1 1 1 国内外相关研究概况 由于涡轮叶片及涡轮盘工作条件恶劣，因而其失效概率相对较高，危害性也 很大。据不完全统计，在我国发动机所发生的各类机械断裂失效事件中，转动部 第1 章绪论 件的断裂失效高达8 0 以上，其中主要是转子系统中的叶片、盘、轴及轴承，除 了因外物撞击造成叶片瞬时过载断裂外，绝大多数是由各种原因引起的不同类型 的疲劳断裂失效1 6 】。 国内外对于涡轮叶片及涡轮盘的失效已经做过很多研究，在发动机运转期间， 涡轮叶片的叶身经受长时间温度和应力的综合作用，显微组织会发生缓慢的变化， 这种变化一般不会严重损伤材料的性能，所以在翻修寿命期以内，这些组织的变 化被认为是允许的。然而，当涡轮在使用中经历了超温状态时，则可能严重地损 害涡轮叶片的组织，如不更换过热的叶片，可能导致发动机过早失效，甚至产生 严重的后果。国外对发动机高温部件早期失效的原因进行了分析，认为超温是原 因之一【刀。 l “1 8 高温合金属于金属间化合物强化的时效硬化型合金，目前普遍被用于涡 轮叶片的制造，其高温性能越来越被大家所关注。近年来对于k 4 1 ，8 高温合金的研 究主要有：蒙肇斌等采用体视显微镜、扫描电镜等分析手段对k 4 1 8 合金增压器涡 轮铸造叶片的断裂形貌与断裂机制等进行的分析：刘发信等研究了k 4 1 8 合金不同 宏观组织( 晶粒度) 对低周疲劳性能的影响；袁文明等测试了不同温度下细晶铸 造和普通铸造k 4 1 8 合金的拉伸性能。 g h 2 0 3 6 合金是以v c 为主要强化相的奥氏体型沉淀硬化耐热钢。由于c r 含 量仅为1 1 5 1 3 5 ，而c 含量很高，达0 3 4 0 o - 0 4 0 ，在固溶淬火和时效处理 过程中，均有可能沿晶界析出c r 2 3 c 6 型碳化物，从而导致晶界区贫铬而易遭受腐 蚀损伤。这是该合金的致命弱点，是导致该合金制作的涡轮盘一类零件普遍出现 沿晶应力腐蚀开裂的主导因素【8 】。目前对于g h 2 0 3 6 合金的主要研究有：龚玉汉等 对高温长期时效后g h 2 0 3 6 m 合金中碳化物和持久蠕变性能稳定性的研究；李玉清 用透射电子显微镜观察长期时效后晶内v c 的清晰图像，研究了晶内m 2 3 c 6 孪晶同 奥氏体的共格关系及其共格界面。 1 1 2 高温合金的发展与应用 自从2 0 世纪4 0 年代初期第一台航空喷气发动机采用第一个铸造涡轮工作叶 一种增压器涡轮盘和涡轮叶片短时超温损伤分析 片以来，铸造高温合金的发展经历了一段曲折而又辉煌的历程。众所周知，航空 发动机的发展与高温合金的发展是齐头并进、密不可分的，前者是后者的主要动 力，后者是前者的重要保证。占据着航空发动机中温度最高、应力最复杂的位置 的铸造涡轮叶片的合金发展尤其是这样。半个世纪以来，航空发动机涡轮前温度 从4 0 年代的7 3 0 。c 提高到9 0 年代的1 6 7 7 。c ，推重比从大约3 提高到1 0 【9 】，这一 巨大进展固然离不开先进的设计思想、精湛的制造工艺以及有效的防护涂层，但 是，高性能的铸造高压涡轮叶片合金的应用更是功不可没【1 0 _ 1 2 1 。 1 9 4 3 年，美国g e 公司为其j 3 3 航空发动机选用了钴基合金h s 2 1 制作涡轮 工作叶片，代替原先用的锻造高温合金h a s t e l l o y b 。5 0 年代初，由f d d a r a m a v a 发明的真空熔炼技术堪称高温合金发展史上最重大的事件之一【1 3 1 。6 0 年代初期， 美国p w 公司在研究m a r m2 0 0 合金过程中发现该合金虽然高温强度很高，但中 温性能尤其是中温塑性很低，其蠕变过程不出现第三阶段，涡轮叶片在工作中发 生无预兆的断裂。s t w l o d e k 和e w r o s s 在i n l 0 0 镍基铸造合金中发现了被称 为。相的片状硬质化合物，造成蠕变断裂性能的急剧恶化【1 4 】。7 0 年代中期，美国 h o w m e t 公司发展了高温合金细晶铸造法，从而在合金凝固过程的晶粒控制方面又 走出了新路子。从2 0 世纪8 0 年代起，单晶高温合金便进入蓬勃发展的阶段，性能 不断提高，应用越来越广。近年来出现的第四代单晶合金r r 3 0 1 0 的承温能力达到 11 8 0 ，用在英国r r 公司最新的t r e n t 发动机上【l o 】。 在发动机中，涡轮盘和涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶 劣的部位而被列为第一关键件，并被誉为“王冠上的明珠”，以说明其重要程度。 因此，涡轮盘和涡轮叶片的设计水平，制造材料的性能水平( 特别是承温能力) 已 成为一种型号发动机先进程度的重要标志，在一定意义上，也是一个国家工业水 平的显著标志。 在航空发动机发展的初期，主要用变形高温合金制造涡轮叶片。随着铸造高 温合金的发展和熔模铸造技术的进步，逐步实现了叶片的“以铸代锻。我国自 5 0 年代以来研制的铸造高温合金牌号多达6 0 多个。表1 1 列出我国各类铸造高温合 金的主要牌号和研制单位【】5 】。 第l 章绪论 表1 1 我国铸造高温合金的主要牌号及研制单位 t a b 1 1m a j o rd e s i g n a t i o na n dd e v e l o p m e n to r g a n i z a t i o no fc a s ts u p e r a l i o yo fc h i n a 1 1 3 高温合金及其第二相 1 1 3 1 合金元素的基本作用 ( 1 ) 固溶强化 高温合金的固溶强化是通过提高原子间结合力产生晶格畸变，降低堆垛层错 能及产生短程序或其它原子偏聚，降低固溶体中元素的扩散能力，提高再结晶温 度，达到强化合金的目的。 在镍或y 铁中能形成无限固溶体或者溶解度很大的元素，如锰、铁、钴、镍 等稳定基体的元素，可以通过固溶强化，影响第二相得强化效果而提高合金的热 强性。 ( 2 ) 第二相强化 高温合金中的重要时效硬化相是金属间化合物丫、r 和各类碳化物。对合金的 强化作用主要取决于其数量、尺寸、本身的固溶强化程度、它们与基体的点阵失 效度、反相畴能大小和他们的过时效转变等因素。具体说明如下： 铝、钛是丫，( n i 3 ( 灿，t i ) ) 相的主要形成元素。镍基合金的高温性能主要 一种增压器涡轮盘和涡轮叶片短时超温损伤分析 取决于铝、钛加入总量和t i a i 比，增加铝、钛总量可以明显提高丫固溶温度和丫 体积分数。t 渊比过高则容易出现粗大片状r i ( n i 3 t i ) 相。 铌大量进入1 ，7 ，形成n i 3 ( a i ，t i ，n b ) ，提高了丫，相得溶解度。当铌含量 足够高( 4 ) 时，某些合金除形成丫，外，还形成丫，( n i 3 n b ) 1 1 6 , 1 7 。 碳化物、硼化物具有硬而脆的性质，时效时具有选择性析出的特点。其强化作 用与其类型、数量、大小、分布有关。碳化物等强化相通常数量较少、分布不均、 质量较大，因此位错往往是绕过它们而运动。晶界碳化物、硼化物可以引起强化 晶界的作用【 s a g 。 ( 3 ) 晶界强化 当合金元素加入到合金中时，由于晶界和晶内结构上差异，某些元素会在平 衡条件下偏聚在晶界，或者溶质原子和空位交互作用而偏聚在晶界。高温合金中 的一些微量元素( 硼、稀土、碱土元素) 和一些杂质元素( 铅、铋、锡、砷、镉、 锑、气体元素等) 都是典型的晶界偏聚元素。虽然这些元素平均含量很少，但是 由于偏聚在晶界，使晶界附近局部浓度较高，导致晶界的有效强化或严重弱化。 1 1 3 2 高温合金的热处理 ( 1 ) 固溶处理 固溶处理是为了溶解基体内碳化物，丫相等以得到均匀的过饱和固溶体，便于 时效时析出丫，等强化相【1 9 ，2 0 】。其次是为了获得适宜的晶粒度，以保证合金高温抗蠕 变性能。固溶处理的温度范围大约在9 8 0 1 2 5 0 c 之间，主要根据各个合金中相的 析出和溶解规律及使用要求来选择，以保证主要强化相必要的析出条件和一定的 晶粒度。对于高温长期使用的合金，要求较好的高温持久和蠕变性能，应选择较 高的固溶温度已获得较大的晶粒度；对于中温使用并要求较好的室温硬度、屈服 强度、拉伸强度、冲击韧性和疲劳强度的合金，要采用较低的固溶温度，保证较 小的晶粒度。高温固溶处理时，各个相都逐步溶解，同时晶粒长大；低温固溶处 理时，不仅有主要强化相的溶解，而且可能某些相的析出。 ( 2 ) 中间处理 中间处理即二次固溶处理或中间时效处理，其主要作用是改变晶界上析出的 第1 章绪论 碳化物数量、形态和分布，其次是在合金中造成大小两种丫7 的合理分布，以显著提 高合金的持久寿命和塑性。二次固溶处理的温度大约在1 0 0 0 l1 5 0 ，保温和冷却 过程中，晶界析出链状碳化物，起强化晶界作用。对于过饱和度低的合金往往伴 随有晶界贫丫，区的出现，对于过饱和度高的合金往往形成包覆晶界碳化物的丫，包 膜。中间处理时析出大尺寸丫7 相，使合金最终时效后得到大小两种尺寸的丫，相，以 改善合金的综合性能和长期组织稳定性。对于碳化物时效强化的铁基合金，一般 不采用中间处理。 ( 3 ) 时效处理 时效处理能使合金充分而均匀析出强化相。在时效温度下不应引起强化相的 溶解和聚化，保证强化相的尺寸合适。时效温度一般在7 0 0 1 0 0 0 。时效温度取 决于强化相的数量和合金成分，随铝、钛含量增加而提高。过饱和度高的合金， 由于固溶处理和中间处理的冷却过程中r 相已大量析出，所以最后的时效处理只产 生较小的组织变化。因此，许多铸造合金不进行热处理或只进行简单的热处理就 可使用。 1 1 3 3 高温合金的组织 随着镍基高温合金强度的提高，其组织由固溶强化的单相奥氏体( 含有少量晶 界碳化物) 演变为用1 ，7 相强化的多相合金。随着合金的发展，合金组织所发生的主 要变化为：丫7 相体积分数逐渐增大，其数量大约由1 0 增加到6 0 7 0 ；丫相形态 由球形逐步变为立方形；丫7 相尺寸逐渐增大，并由一种球形丫，相演变为大小两种尺 寸的丫相共存；丫，相中含有更多的难溶元素铌、钽、铪；晶界状态逐步完善，晶界 两侧由贫丫7 区的链状碳化物逐步变为有丫，膜包覆的链状碳化物。铸造合金组织中出 现大量y + 丫7 共晶。 固溶强化的铁基高温合金，其组织除奥氏体外，仅有一些碳氮化物等。碳化 物时效硬化型铁基合金的组织中，强化水平低的合金一般以m 2 3 c 6 为主要强化相， m 2 3 c 6 分布不均匀，颗粒较大；强化水平高的合金常以呈弥散、细小质点均匀分布 的m c 为主要强化相【2 1 】。 一种增压器涡轮盘和涡轮叶片短时超温损伤分析 1 1 4 涡轮叶片失效主要模式 在燃气涡轮发动机中，压气机和涡轮是两个极其关键的部件。它们的设计、 制造与用材水平不仅决定整个发动机的性能水平，而且直接关系发动机的使用可 靠性。由压气机出来的高压空气经燃烧室增温后进入涡轮，驱动涡轮转子旋转， 将热能转变成机械能，反过来带动压气机转子旋转。 按一级失效模式分类，转子叶片常见的失效模式有断裂失效和非断裂失效。 断裂失效可分为疲劳断裂失效和过载断裂失效，非断裂失效包括变形失效和腐蚀 失效两种。疲劳断裂失效是发动机叶片中最常见_ 的一类失效模式，约占整个叶片 失效8 0 的。疲劳断裂按引起断裂的原因又可分为共振疲劳断裂、颤振疲劳断裂、 微动损伤疲劳断裂、材质缺陷引起的疲劳断裂、外物损伤引起的疲劳断裂、腐蚀 引起的疲劳断裂、维修不当引起的疲劳断裂和低周疲劳断裂等【2 2 2 3 1 。 1 1 4 1 转子叶片高温疲劳断裂失效 涡轮转子叶片和压气机后几级转子叶片是在高温环境下工作，承受温度交变 作用，因而有可能出现蠕变损伤和疲劳损伤。工程上将因蠕变与疲劳发生作用而 导致的断裂失效称为高温疲劳断裂失效。 高温疲劳断裂失效是一个复杂的过程，断口形貌随温度的高低及交变频率和 应力大小及其交变频率的不同而不同。首先，出现高温疲劳断裂失效的先决条件 是温度大于或等于金属材料的临界蠕变温度，低于此温度，疲劳裂纹以穿晶方式 萌生，属热机械疲劳范畴；其次是应力( 应变) 循环波形及其大小。如果应力呈 连续的高频循环，其应力水平低于蠕变临界值时，出现的沿晶开裂主要应归因于 晶界氧化：如果应力( 应变) 呈方形波的低频循环，且其应力水平高于临界值时， 所出现的沿晶界开裂属于蠕变与疲劳交互作用下引起的高温度疲劳断裂失效f 2 4 】。 1 1 4 2 转子叶片热损伤疲劳断裂失效 转子叶片在设计时，一般均充分考虑了蠕变与疲劳交互作用的影响，所以转 子叶片一般很难出现高温度疲劳断裂失效。国内外长期对使用转子叶片的实际考 核也证明，转子叶片很少出现高温疲劳断裂失效现象。相反，转子叶片，尤其是 第1 章绪论 涡轮转子叶片，在实际使用中，因热损伤引起的疲劳断裂失效则较为常见。发动 机在使用过程中，由于非正常工况引起短时超温而使零件遭受过热或过烧损伤的 现象称之为热损伤。这种断裂失效的源区大都呈现沿晶断裂特征。 1 1 5 涡轮盘失效主要模式 涡轮盘的主要功能是安装叶片以传输功率，其在高速旋转状态下工作，承受 着高的离心负荷、振动负荷和热负荷，还要承受环境介质的腐蚀与氧化作用，其 工作条件十分恶劣。轮盘的断裂失效大多会造成非包容性破坏，其后果往往是灾 难性的。 轮盘的失效模式有很多种，随失效出现的部位、工况条件和所用材料不同而 异，引起失效的原因也相当复杂。 1 1 5 1 涡轮盘榫槽槽底应力腐蚀开裂 涡轮盘榫槽槽底是涡轮盘最为薄弱的部位之一，槽底裂纹是一种常见的多发性 故障，其走向及分布形态有如下四种2 5 2 6 1 ： ( 1 ) 轮盘前端槽底转角处裂纹，起始于加工拉刀接口处，沿径向扩展，是最为常 见的槽底裂纹。 ( 2 ) 轮盘后端面槽底转角裂纹，也起始于加工拉刀转角处，沿径向扩展。这种槽 底裂纹较为少见。 ( 3 ) 槽底中间处裂纹，起始于槽底放锁片出处，沿径向与轴向两个方向扩展。这 种裂纹较为普遍。 ( 4 ) 贯穿槽底后端面的裂纹，是前三种裂纹沿轴向扩展的结果。这种裂纹沿径向 扩展到一定程度，会导致叶片脱榫飞出，甚至盘件破裂，是最危险的一种裂纹。 1 1 5 2 轮盘榫齿断裂失效 榫齿是轮盘的关键特性部位，是最容易出现断裂失效的部位。国产多种型号 发动机的涡轮盘和压气机盘均发生过榫齿断裂时效2 7 1 。轮盘榫齿断裂的直接后果 是安装在其内的叶片高速飞出，进而打坏发动机，破坏转子平衡，引起盘件破裂 从而导致严重事故。 一种增压器涡轮盘和涡轮叶片短时超温损伤分析 轮盘榫齿一般有枞树形榫齿结构和燕尾形榫齿结构，枞树形榫齿断裂失效随 受力状况、材质及环境介质的不同而不同，一般有三种失效机制：高周疲劳断裂、 腐蚀疲劳断裂失效、榫齿晶间腐蚀掉块。 1 2 本论文工作概述 1 2 1 论文研究背景及特点 现代发动机向着高温和长寿命的方向迅速发展，先进的发动机涡轮机进口温 度超过1 2 0 0 ，考虑到冷却效果，叶片金属所承受的温度也超过1 0 0 0 。七十年 代以来，军用航空发动机的寿命一再延长，达到3 0 0 0 - 5 0 0 0 小时，民用航空发动 机的寿命超过1 0 0 0 0 小时，地面使用的涡轮寿命就更长了，通常超过3 0 0 0 0 小时。 在高温下经历长时间作用的涡轮部件的工作环境十分苛刻，因此要求制造涡轮部 件的材料要有优良的综合性能【2 8 。们。 大半个世纪以来，高温合金的发展已取得长足的进步，为航空发动机的发展 作出了巨大贡献。然而，飞跃发展的高科技时代，继续对冶金工作者提出新的更 高要求。航空和地面燃气涡轮要求提高工作温度( 约2 1 0 0 k ) 、增大推力( g 勺3 9 0 k n ) 、 提高推重比( 5 1 0 ) 、延长寿命( 1 0 0 0 0 h ) ，这就使高温合金的先进性、可靠性、耐 久性、工艺性以及经济性继续面临巨大的挑划10 1 。 目前国内外对于高温合金长期时效的研究比较多，然而由于非正常服役工况 ( 喘振、进气道畸变、燃油调节不良、喷油雾化不良、操作失误等) 所引起短时超 高温导致的涡轮盘、涡轮叶片及其相关部件的提前失效案例时有发生，2 0 0 6 2 0 0 9 年课题组进行的相关案例分析就多达1 3 例f 3 1 。3 3 1 。 本论文通过对叶片材料k 4 18 合金和涡轮盘材料g h 2 0 3 6 合金进行高温短时时 效模拟处理试验，观察分析两种合金的过热组织特点，并分析过热组织对两种合 金性能的影响。通过对断裂涡轮叶片和涡轮盘的失效分析，探明涡轮叶片和涡轮 盘的失效本质。结合短时时效模拟试验结果，建立过热组织与服役性能的关系， 从而为判断过热失效提供理论依据。因此论文的研究内容及成果对涡轮叶片和涡 轮盘实际生产及使用有重要的指导意义。 第1 章绪论 1 2 2 论文研究路线 本论文主要研究内容： ( 1 ) 选择典型涡轮叶片材料k 4 18 及涡轮盘材料g h 2 0 3 6 作为研究对象，进行高 温短时时效模拟处理试验。 ( 2 ) 利用x 射线衍射( ) a 如) 、光学显微术( o p m ) 及扫描电子显微术( s e m ) 等实验手段研究两种材料在高温短时时效处理过程中的微观组织变化，确定过热 组织形貌特征及相组成。 ( 3 ) 分析研究过热组织对两种材料性能的影响。 ( 4 ) 以服役过程中开裂的涡轮叶片及涡轮盘为案例，分析开裂原因，确定失效本 质。 ( 5 ) 结合高温短时时效试验结果，分析失效涡轮盘及涡轮叶片组织特点，研究过 热组织对服役性能的影响。 一种增压器涡轮盘和涡轮叶片短时超温损伤分析 第2 章试验材料及测试方法 2 1 样品选择与制备 ( 1 ) 试验样品的选择： 试验材料取自涡轮增压器中的涡轮叶片，为典型涡轮叶片材料k 4 1 8 合金。 试验材料取自涡轮增压器中的涡轮盘，为典型涡轮盘材料g h 2 0 3 6 合金。 ( 2 ) 样品制各 利用电火花切割机将取自涡轮盘及叶片的试验材料切割成2 0 m m x l 5 m m 5 m m 样品，在箱式电阻炉中进行不同温度的高温短时时效模拟处理试验。处理后的样 品依次经粗磨一精抛j 侵蚀( 侵蚀剂为：苦味酸+ 硝酸+ 酒精) 等次序制成金相试 样，然后进行o p m 、s e m 观察、能谱分析、x 射线衍射等测试分析。 2 2 高温短时时效模拟处理试验 处理工艺： ( 1 ) 涡轮叶片材料k 4 1 8 样品 加热温度分别为9 0 0 、1 0 0 0 、1 l o oo c 、1 2 0 0 。c ，保温时间为1 小时，空冷。 ( 2 ) 涡轮盘材料g h 2 0 3 6 样品 加热温度分别为9 5 0 、1 1 0 0 、1 1 5 0 ，保温时间为1 小时，空冷。 2 3 分析测试方法 2 3 1x 射线衍射分析 利用日本r i g a k u 公司制造的d m a x - u l t i m a + 型x 射线衍射仪测定不同处理条 件下样品相组成的变化。测试条件为：c u k 仅辐射，后石墨单色器，管功率为 4 0 m a x 4 0 k v ，2 0 扫描范围为3 0 0 一1 0 0 0 。 2 3 2 扫描电镜观察 利用荷兰p h i l i p s 公司生产的x l 3 0 型扫描电镜观察不同加热温度下高温合金 k 4 1 8 和g h 2 0 3 6 的微观组织变化。利用美国e d a x 公司生产的超薄窗x 射线能谱 仪测定基体、析出相、断口表面等微区化学成分。 第2 章试验材料及测试方法 2 3 3 金相显微镜观察 利用o l y m p a s 公司制造的g x 5 1 型金相显微镜观察样品的金相组织。 2 3 4 硬度测试 利用m h - 6 型显微硬度计测定不同组织区域的显微硬度，载荷为5 0 0 9 。 一种增压器涡轮盘和涡轮叶片短时超温损伤分析 第3 章热损伤组织研究 3 1k 4 18 合金高温短时时效模拟处理试验 3 1 1 原始组织结构特性 k 4 1 8 为镍基高温合金，镍基高温合金的成分特点是以镍为主，一般含有 1 0 2 0 铬，形成镍铬奥氏体基体。k 4 1 8 高温合金作为叶片材料一般直接在铸态下 使用，无需热处理。k 4 1 8 高温合金属于金属间化合物强化的时效硬化型合金，其 主要强化相为n i 3 础型1 ，相，也即以镍为基、以丫相强化的时效硬化型合金。合金 的显微组织主要由面心立方的丫固溶体基体、弥散析出的、与基体共格的金属间 化合物丫，相、枝晶问析出的m 共晶以及沿晶界和晶内析出的碳化物m c 、硼化物 m 3 8 2 相组成，使合金产生强烈的时效硬化现象。 合金中的n i 作为基体，其基本特征是面心立方母体具有很高的相稳定性和通 过各种各样直接或间接方法使合金强化的可能性。n i 的表面稳定性，可通过c r 和或的合金化来改善p 9 1 。 3 1 1 1 化学成分分析 利用分析光谱的方法对叶片材料k 4 1 8 进行了成分测定，结果见表3 1 ，从表 中可以看出，合金成分中含有较高的强碳化物形成元素n b 、t i 。a 1 、t i 和n i 形 成y n i 3 ( a 1 ，t i ) 沉淀相，它能同基体奥氏体保持共格关系，这种相对于合金的高 温强度和抗蠕变性能是必要的，提高削t i 的比值可改善高温性能。在n i 中，f e 、 c r 、m o 、t i 和a l 都是强化元素，这些元素与n i 原子直径相差为l 1 3 ，造成 晶格畸变【3 2 】。 表3 1k 4 18 材料基体化学成分测定结果( w t ) t a b 3 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f b a s i sm a t e r i a lo f k 4 1 8 ( w t ) 第3 章热损伤组织研究 3 1 1 2x 射线衍射结果与分析 对原始样品进行了x 射线衍射测定，结果如图3 1 所示。 图3 1 原始样品x 射线衍射图 f i g 3 1x r dp a t t e r no f o r i g i n a ls p e c i m e n x 射线衍射谱的标定结果表明：高温合金k 4 18 主要由丫固溶体及有序相丫 ( n i a a l ) 组成。n i a a l 的熔点约为1 4 0 0 ，在熔点以下都呈有序的l 1 2 型晶体结构。 丫系具有长程有序的面心立方有序结构，又称a 3 b 相，a 原子位于立方体的面心位 置，而b 原子位于立方体的顶角。点阵常数与1 ，基体相近，其x 射线衍射特点就 是有超点阵衍射线条出现。从图中的衍射结果可知，k 4 1 8 高温合金中还存在 ( n b ，t i ) c 碳化物相，这与化学成分测定结果一致。 一种增压器涡轮盘和涡轮叶片短时超温损伤分析 3 113s e m 观察结果与分析 原始样品的铸态显微组织如图3 2 所示。 图32 原始样品显微组织：( a ，b ) 低倍形貌； ( c ，d ) 沿晶m c 碳化物形态； ( e ) 晶内块状m c 碳化物形态： ( f ) t 叶。共晶形态 f i g3 2s e m o b s e r v a t i o no i l m i c r o 咖c n i o f o r i g i n a ls i c l m c n ： 值b ) l o w m a 印i f i c a t i o np h o t o g r a p h ；心d ) m o r p h o l o g y o f i n t e r g r a n u l a r m cc a r b i d e ； ( e ) m o r p h o l o g y o f m cc a r b i d e w i t h i n g r a i n s ；( o m o r p h o l o g yo f * 7 叫e u t 钟t i c 第3 章热损伤组织研究 从图中可以看出，它主要由丫基体、丫，相、( m ) 共晶、m c 相组成。低倍 观察显示出明显的枝晶状形态( 图3 2 a ) 。( n b ，t i ) c 型碳化物主要呈颗粒状和 条块状分布在晶界、晶内和枝晶间( 图3 2 b e ) 。( m ) 共晶由液态直接析出， 呈大块花瓣状存在于最后凝固的枝晶间和晶界( 图3 2 f ) 。图中可以看出，y 7 作为 合金固态析出的主要强化相，呈球型或近似立方体形态状较为规则的弥散分布在丫 基体上。 此外，能谱分析结果表明，晶界及枝晶间还存有m 3 8 2 型硼化物。硼在晶界偏 析时会形成密度较低的硼化物，一般数量较少，多数与m c 碳化物共存，且形态 相似，呈颗粒状和条状【4 0 】。 3 1 2 高温短时时效模拟处理试验 发动机在服役过程中，涡轮叶片材料的显微组织会发生变化，根据工作温度 和使用时间不同，变化的强烈程度也有区别。显微组织变化主要有：沉淀相的类 型、数量及形态、晶粒尺寸和形状、碳化物相的分布等。镍基合金的性能受上述 三种变量的控制。 通常最大的变化是丫的溶解和聚集长大，碳化物析出及转变，t c p 相的析出 等：显微组织的变化将强烈影响合金性能，因此本节利用x r d 及s e m 详细研究 高温短时时效过程中k 4 1 8 合金显微组织变化，包括r 相、( m 7 ) 共晶、m c 碳 化物及晶界形态等。 ( 1 ) y 7 相的变化 矿为高温合金的主要强化相，它的成分、形态及数量等对合金的性能有很大的 影响。通过解剖分析一些发动机可知，对铸造合金涡轮叶片来说，当工作温度低 于7 5 0 。c 时，尽管使用时间在几千小时量级，矿相长大是不明显的，当温度超过8 0 0 时，y 7 相的长大则是一个不容忽视的因素。 ( 2 ) 碳化物的分解或析出 发动机在使用以后涡轮叶片内部碳化物总量总是增加的。根据合金成分和使 用状态不同，合金内部各种碳化物的增加或减少规律是不同的。目前大多数发动 种增压器涡轮盘和涡轮叶片短时超温损伤分析 机涡轮叶片都在7 0 0 9 5 0 。0 这一温度区间工作。使用后的涡轮叶片内m c 碳化物量 减少，m 2 3 c 6 碳化物大量增加。在8 0 06 c 以上温度使用后，m 6 c 碳化物量也明显增 加。当发动机在9 5 0 1 0 0 0 使用以后，m 6 c 碳化物的量有可能超过m 2 3 c 6 碳化物。 发生这种情况主要是由于m c 碳化物在高温下是不稳定的。 ( 3 ) t c p 相析出 六十年代以来，发现有许多高温合金在热暴露或使用过程中析出。相，后来 又发现在高钨、钼的高温合金中析出p 相，这些都是拓补密排结构，称为t c p 相。 这些相的析出都会降低叶片的持久寿命并降低塑性，因此是必须加以避免的。现 在新设计的机种都采用电子空位数的控制方法在合金成分上进行调整，以保证在 使用过程中不出现这种有害的相【4 2 】。 3 1 2 1x 射线衍射结果与分析 对不同时效温度处理的k 4 1 8 样品进行了x 射线衍射测定，结果如图3 3 所示。 从x 射线衍射图标定结果我们可以看出，高温时效过程中，合金的主要相组成并 未发生明显的变化，仍然为丫、丫，及m c 相，但各相衍射峰的强度发生明显的变化。 丫7 有序线条向低角度略微偏移，而基体奥氏体衍射峰位没有明显移动。这意味着丫， 相的点阵常数随着时效温度的提高略有增加。事实上r 相的组成比较复杂，其点阵 常数的大小与成