某发动机动力涡轮导向器裂纹原因分析

黄艳松， 王其荣， 何训

（1.海军驻株洲某军代室，湖南 株洲412002；2.中航工业南方公司，湖南 株洲412002）

0 引言

K536合金是一种含铁、铬较高的固溶强化型镍基高温合金，具有较好的抗氧化性能，其成型性和高温持久性能也较好，在790℃以上还具有一定的高温强度，是制造航空发动机燃烧室部件比较合适的材料，工作温度可达980℃，短时间工作温度可达1090℃，合金具有较好的铸造性能，适于精密铸造［1］。某型发动机动力涡轮导向器由外环、内环和导向叶片组成，采用K536合金整体精密铸造成型，在使用过程中叶片出现裂纹和掉块现象。本文分别对裂纹件和样机件进行冶金分析，确定了裂纹及掉块的原因，提出了改进措施，经模拟试验验证了措施的有效性。

1 检查过程

1.1 外观检查

裂纹件外观如图1所示，经荧光和双目放大镜检查发现在A部位存在裂纹、B部位存在掉块现象。裂纹分布于叶片排气边中部及排气边的靠内环R处，其中叶片排气边中部的裂纹长度较长，最长的裂纹尺寸约11 mm。靠内环R部位的裂纹与叶片排气边呈一定角度，向内环延伸，见图2。叶片排气边中部的裂纹大部分与叶片排气边垂直，个别与排气边呈一定角度。其中1片叶片排气边中部距外环约14 mm部位存在一处掉块，尺寸约为2.5 mm×2 mm，掉块底部可见裂纹，向进气边方向延伸，方向基本与进气边垂直，长度约为10 mm，见图3。经统计，该裂纹件总裂纹数为42条，主要分布在叶片排气边中部、靠内环R处，分别为27条和5条。

图1 零件外观

图2 A部位零件裂纹

图3 B部位掉块

1.2 低倍检查

经表面低倍腐蚀检查：裂纹件排气边一侧除中部约3 mm宽范围内存在一些1～3 mm的等轴晶外，其余表面均为柱状晶,最大柱状晶尺寸为23 mm×1.5 mm；进气边一侧基本为6～10 mm的等轴晶，有个别尺寸为20 mm的粗大晶粒，见图4。裂纹大部分呈沿晶开裂特征，少部分呈沿晶+穿晶形貌。样机件排气边中部20 mm×10 mm区域晶粒为小于0.5mm的等轴晶，其余部位为1～4 mm及个别5 mm的等轴晶，见图5。通过对比发现裂纹件晶粒尺寸明显比样机件大，且叶片排气边中部存在柱状晶粒。

图4 裂纹件表面低倍晶粒

图5 样机件表面低倍晶粒

1.3 金相检查

分别对裂纹件和样机件的同一部位进行金相剖切检查，发现裂纹件的二次枝晶臂距尺寸与样机件相比明显较大。裂纹件的二次枝晶臂距尺寸范围为75～94μm，如图6所示；样机件的二次枝晶臂距尺寸范围为37～63μm，如图7所示。

图6 裂纹件枝晶形貌

图7 样机件枝晶形貌

切取叶片排气边中部的裂纹，平行于叶背面磨制试样后观察，裂纹明显呈沿晶开裂特征，见图8。裂纹件与样机件显微组织均为奥氏体+碳化物，碳化物形态为颗粒状及短棒状的M6C、M23C6，但与样机件相比，裂纹件显微组织中碳化物数量明显偏少，且裂纹件表面存在厚度30～40μm的细晶层，裂纹件显微组织见图9，样机件显微组织见图10。

图8 裂纹沿晶特征

图9 裂纹件显微组织

图10 样机件显微组织

1.4 断口检查

将裂纹件叶片排气边中部裂纹及掉块部位人工打开后观察，断面高低起伏较大，呈沿晶开裂和黑色氧化特征，裂纹源点位于靠叶盆的排气边如图11所示，起始后向叶背及进气边方向扩展，在局部位置可见疲劳弧线和条带特征，为热疲劳开裂，源区未见冶金缺陷，如图12、图13。

图11 疲劳源区

图12 疲劳裂纹扩展区

图13 疲劳条带

1.5 其他检查

分别在样机件和裂纹件的叶片中部切取试样进行硬度检查，裂纹件的硬度值为131 HB、样机件的硬度值为171 HB，表明裂纹件硬度小于样机件硬度。在样机件及裂纹件上取样后经化学定量分析，发现样机件和裂纹件的成分检测结果均符合该产品冶金文件规定，其中C元素标准值≤0.10%，裂纹件和样机件的C元素质量分数分别为0.005%、0.076%，相差较大，其余元素质量分数差别很小。

2 讨论分析

该动力涡轮导向器为整体铸造结构成型，由于零件壁厚、结构及铸造工艺的影响，造成零件铸造冷却过程中叶片排气边一侧出现较大的过冷度，结晶时固液界面只能在空间的一个方向自由移动，其他两个方向受到限制，导致零件叶片排气边中部容易出现较多垂直于排气边的粗大柱状晶。在柱状晶的生长方向上，综合力学性能相对较差。而发动机工作过程中，导向器所受的主应力方向恰好与零件柱状晶生长方向一致，弱化了叶片的径向强度，降低了材料的抗疲劳性能。

导向叶片除受有较大的气动力与不稳定的脉动载荷外，还处于高温燃气的包围之中，温度高，冷热变化大，温度不均匀情况很严重，起动-停车引起的热冲击和热疲劳现象往往成为导向叶片的主要故障之一［2］。由于叶片前后较薄，热惯性较小，因而受热速度快，在导向叶片内产生很大的温度梯度，使前后缘产生很大热应力，反复作用就会出现热疲劳（低周疲劳）裂纹［2］。该导向器裂纹断口断面高低起伏大，存在疲劳弧线和条带特征，因此裂纹性质为热疲劳裂纹。由于叶片排气边组织存在柱状晶，降低了抗疲劳性能，在冷热循环应力和结构约束应力的共同作用下，导致该导向器在叶片排气边热疲劳裂纹萌生，并沿晶界扩展。

K536合金为铬和钼固溶强化的一种含铁量较高的镍基高温合金，固溶状态的组织为奥氏体基体+M6C型碳化物及少量的Ti（CN）、TiN组成；经时效处理后，主要析出相为M6C、M23C6型碳化物及微量的σ相，经1000h以上时效后析出μ相（（Ni、Cr、Fe）7（W、Mo、Si）6）［3］。碳含量对合金中的碳化物数量及合金的强度均会有一定的影响。结合冶金分析结果可知，裂纹件化学成分中碳质量分数仅为0.005%，且显微组织中碳化物数量较样机件明显偏少、硬度相对偏低，必然导致其强度会有所降低，促进裂纹的萌生和扩展。由于叶片排气边中部存在一些1～3mm的等轴晶，当裂纹沿晶扩展到一定程度并产生交叉时，就会导致叶片局部掉块。

3 改进验证

根据上述分析，增加了K536合金C质量分数的下限值控制要求，将C质量分数调整到样机件水平，并对该产品的精密铸造工艺参数进行了优化，改善了产品排气边柱状晶的情况。改进铸造工艺后，分别抽取两个改进件进行500次、1000次热冲击试验，试验后经荧光检查均未发现裂纹及掉块的现象。目前，该产品改进件已通过发动机试车考核，状态良好。

4 结语

该动力涡轮导向器裂纹主要出现在叶片排气边，裂纹源点靠近叶盆部位，沿晶界开裂，向叶身横向发展，性质属于热疲劳开裂。裂纹的主要原因是产品内部组织存在柱状晶粒，导致材料的抗疲劳性能降低，在冷热循环应力和结构约束应力的共同作用下产生裂纹。掉块是裂纹沿晶扩展出现交叉所致。通过优化产品毛坯铸造工艺，改善组织柱状晶情况、提高材料C含量等措施，能够防止产品出现裂纹。

［1］ 中国金属学会高温材料分会.中国高温合金手册［M］.北京：中国标准出版社，2012：160-181.

［2］ 刘长福，邓明.航空发动机结构分析［M］.西安：西北工业大学出版社，2006.

［3］ 钢铁研究总院.GH536合金管材、板材、棒材技术报告［R］.2005.