發(fā)動機粉末合金高壓渦輪盤斷裂的原因

劉麗玉，陶春虎，劉昌奎，張義文，李永斌

（1.北京航空材料研究院航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，中航（試金石）檢測科技有限公司，北京 100095；2.北京鋼鐵研究總院，北京 100081；3.貴州黎陽航空動力有限公司，安順 561102）

0 引 言

渦輪盤是發(fā)動機上最重要的核心熱端部件之一，其在高溫、高轉(zhuǎn)速下工作，所承受的載荷復雜，工作環(huán)境嚴酷。隨著高推重比、高功重比及高燃效發(fā)動機的發(fā)展，以粉末高溫合金渦輪盤為代表的航空發(fā)動機熱端部件的制造和應用得到了迅速發(fā)展［1－2］。粉末高溫合金具有晶粒細小、組織均勻、無宏觀偏析、合金化程度高、屈服強度高、疲勞性能好等優(yōu)點，但其自身的三大缺陷——夾雜物、熱誘導孔洞和原始顆粒邊界（PPB）對其性能具有嚴重影響［3－7］，甚至會直接導致渦輪盤斷裂失效，進而造成災難性后果。如，某廠在熱試車過程中發(fā)生了由渦輪盤斷裂造成的發(fā)動機爆炸事故［8］?？梢姡芯繆A雜物、PPB等缺陷對粉末高溫合金的影響以及粉末高溫合金的斷裂機理，對粉末合金渦輪盤在工程上的應用具有重要的指導作用。

某型發(fā)動機在進行300h的長試試車過程中，在打到98%推力時，材料為FGH4097粉末高溫合金的高壓渦輪盤發(fā)生了斷裂掉塊，導致渦輪機匣穿孔，整臺發(fā)動機破壞。為排查故障原因，對失效高壓渦輪盤掉塊的斷口進行宏觀、微觀觀察和能譜分析，并進行了模擬試驗，找到了失效的性質(zhì)及原因。

1 理化檢驗與結(jié)果

1.1 宏觀形貌

高壓渦輪盤從腹板處發(fā)生斷裂，掉塊部分含8個榫槽（渦輪盤共84個榫槽），有部分掉塊飛出，殘片拼湊后發(fā)現(xiàn)斷裂源區(qū)存在缺失，如圖1所示。

圖1 掉塊的宏觀形貌Fig.1 Macrograph of the wreckage

1.2 斷口形貌

渦輪盤的斷口完整，目視可見明顯的放射棱線、疲勞弧線和漸變的高溫氧化色，從其棱線和弧線的收斂方向可知疲勞裂紋起源于冷卻孔處，如圖2中箭頭所指。疲勞源呈點源特征，如圖3所示，源區(qū)為一直徑約10mm的半圓區(qū)域，此區(qū)域表現(xiàn)為沿原始粉末顆粒邊界斷裂的特征，粉末顆粒的球形輪廓清晰可見，顆粒表面整齊，無塑性變形痕跡，觀察不到韌性撕裂帶。原始顆粒邊界結(jié)合差，不致密，顆粒之間存在間隙和裂口，如圖4（a）所示，原始粉末顆粒表面可見枝晶特征和γ′形貌，如圖4（b）所示。

圖2 渦輪盤斷口的宏觀形貌Fig.2Macrographs of fracture of turbine disk：（a）vertical view and（b）side view

圖4 渦輪盤粉末顆粒的微觀形貌Fig.4 Morphology of powder particles of turbine disk：（a）at low magnification and（b）at high magnification

進一步觀察斷口形貌，可見PPB區(qū)域中心（源區(qū)的圓心區(qū)域）有一斜面“臺階”──夾雜物，如圖3中的發(fā)白區(qū)域所示，該夾雜物尺寸為1.82mm×2.35mm，如圖5所示。該夾雜物的導電性較差，分布于顆粒表面及顆粒間隙中，具有一定的粘附性，夾雜物間依稀可見裸露的PPB，如圖6所示。觀察其側(cè)面，可見夾雜呈片狀，并嵌入基體的間隙中，如圖7所示。

對夾雜物進行能譜分析，結(jié)果見表1?？梢姡搳A雜物除了含有較高的碳、氧外，還含有較多的鈣。綜合“臺階”形貌及成分可知此類粘附物為氧化物夾雜。

圖5 裂紋源區(qū)的夾雜物形貌Fig.5 Inclusion in crack origin zone

圖6 夾雜物附著的PPBFig.6 PPB with inclusion attachment

圖7 嵌入基體間隙中的夾雜物形貌Fig.7 Inclusion inserted in gaps of the substrate

疲勞區(qū)約占整個斷口面積的25%。由圖8，9可見，斷口疲勞裂紋擴展區(qū)可見細膩的疲勞條帶，瞬斷區(qū)為韌窩特征。疲勞裂紋擴展區(qū)及瞬斷區(qū)除局部存在單個原始粉末顆粒外，未見明顯類似裂紋源區(qū)處的大面積PPB聚集。

1.3 顯微組織

在飛出的殘塊上靠近疲勞源區(qū)位置制備金相試樣，腐蝕后進行觀察，遠離裂紋源區(qū)的顯微組織正常，未見明顯的PPB，如圖10所示，繼續(xù)拋磨至接近源區(qū)時可見大量的PPB，如圖11所示。

表1 夾雜物的能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)）Tab.1 EDS analysis of the inclusion（mass） %

圖8 疲勞裂紋擴展區(qū)疲勞條帶的SEM形貌Fig.9 SEMmorphology of fatigue striations in the propagation zone of fatigue crack

圖9 疲勞裂紋瞬斷區(qū)的SEM形貌Fig.9 SEMmorphology of final fracture zone of fatigue crack

圖10 遠離裂紋源區(qū)的顯微組織Fig.10 Microstructure far from crack origin zone

圖11 靠近裂紋源區(qū)的顯微組織Fig.11 Microstructure near crack origin zone

2 故障原因排查與驗證試驗

2.1 故障原因排查

渦輪盤疲勞起源于冷卻孔邊的夾雜物和以夾雜物為中心的PPB缺陷。渦輪盤的制造經(jīng)歷了母合金冶煉、等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備粉末、粉末處理、粉末裝套、熱等靜壓成形、熱處理等一系列過程。粉末制備過程中經(jīng)過了50μm和150μm篩網(wǎng)篩分后不會存在2.0mm×2.3mm的夾雜物，潔凈車間進行了靜電去夾雜物處理，粉末裝套也不會帶入毫米級夾雜物。根據(jù)生產(chǎn)工藝流程分析判斷，只可能是在焊接包套過程中帶入了這種大尺寸的夾雜物。由于焊接包套時采用電弧焊和J422焊條帶藥皮（TiO2－SiO2－CaCO3，還含有有機物和鐵合金），會產(chǎn)生焊渣，焊渣容易帶入粉末包套中。夾雜物的成分與焊接包套電弧焊焊條J422的成分一致，故可初步推斷夾雜物應為焊渣。另一個導致疲勞起源的因素是PPB，PPB為粉末合金的重要缺陷之一。從粉末冶金工藝來看，僅在疲勞源區(qū)附近存在大面積的PPB缺陷，整個斷口的其它區(qū)域只見正常的單個PPB，因此PPB的大面積聚集可能與此位置存在的夾雜物有一定的關(guān)系。為驗證PPB的形成與夾雜物的來源，進行了模擬試驗。

2.2 模擬試驗

采用J422焊條對低碳鋼進行電弧焊制備焊渣，將其破碎后加入FGH4097合金粉末中，然后裝入包套中進行熱等靜壓和熱處理，獲得了φ80mm×130mm的錠坯；錠坯經(jīng)熱處理后進行金相檢驗和力學性能試驗。

熱處理后的錠坯先采用無損探測以確定夾雜物的位置，然后取樣進行金相檢查。結(jié)果表明，焊渣周圍存在聚集的PPB，無焊渣處未發(fā)現(xiàn)PPB，如圖12所示。能譜分析表明，錠坯中的焊渣含有碳、氧、鈉、鎂、鋁、硅、鉀、鈣、鈦、鐵等元素，與失效渦輪盤斷裂源區(qū)夾雜物的成分一致。

熱處理錠坯的室溫沖擊斷口及低周疲勞斷口裂紋源區(qū)均存在焊渣和聚集的PPB，如圖13所示。

失效渦輪盤斷口與錠坯低周疲勞試樣斷口的特征相同，斷口及顯微組織均表明僅在焊渣周圍存在聚集的PPB，模擬試驗再現(xiàn)了焊渣與PPB的關(guān)系及其對渦輪盤斷裂的影響，PPB是焊渣與合金反應的伴生產(chǎn)物。

圖12 驗證試驗用FGH4097錠坯的顯微組織Fig.12 Microstructure of the experimental FGH4097ingot：（a）area with welding slags and（b）area without welding slags

圖13 驗證試驗用FGH4097錠坯沖擊斷口和低周疲勞斷口源區(qū)的焊渣及其周圍聚集的PPBFig.13 Clinker and PPB gathered around clinker in fracture origin zone of impact fracture（a）and low-cycle fatigue fracture（b）of experimental FGH4097ingot

3 分析與討論

3.1 斷裂性質(zhì)

高壓渦輪盤斷口宏觀可見疲勞弧線和漸變的高溫氧化色，擴展區(qū)微觀可見疲勞條帶，因此渦輪盤明顯為疲勞斷裂。

3.2 斷裂原因

疲勞裂紋起源于冷卻孔處的夾雜物和PPB缺陷，夾雜物來源于渦輪盤毛坯制造過程中的焊渣。由于焊接包套時采用的電弧焊在焊接過程中產(chǎn)生了片狀焊渣，且采用傳統(tǒng)的無損檢測方法（接觸法）對渦輪盤進行超聲檢查時，只能檢查渦輪盤的正反兩面，不能檢查圓周方向，從而使得片狀夾雜物漏檢。另外，由于PPB為由大尺寸γ′相和少量氧化物或碳氧化物組成的碳化物，不同于夾雜物等缺陷，采用無損檢測方法無法檢出。這兩類缺陷存在于渦輪盤冷卻孔表面時，會造成應力集中，從而使得渦輪盤發(fā)生早期斷裂失效。

3.3 PPB的形成及故障機理

合金粉末表面富集的氧化物和吸附的氧是形成PPB的主要原因。許多研究證明［9－10］，F(xiàn)GH4097合金中含有的鉿元素易與碳結(jié)合形成比TiC更穩(wěn)定的HfC，且其多分布在晶內(nèi)，減少了在PPB上析出的網(wǎng)狀MC碳化物；同時鉿與氧具有很強的親和力，能阻止粉末表面的氧和鈦發(fā)生反應，從而有助于減少PPB。當鉿的質(zhì)量分數(shù)控制在0.3%左右時，組織中就不再出現(xiàn)PPB，故FGH4097合金不易產(chǎn)生大面積的PPB。此次故障中PPB的形成與夾雜物有直接關(guān)系，模擬試驗結(jié)果驗證了含有TiO2、CaCO3等成分的夾雜物是源區(qū)大面積PPB存在的根本原因。焊渣夾雜物導致了PPB的形成，具體有兩個方面原因：（1）焊渣中的碳、氧與粉末顆粒元素鈦、鈮等發(fā)生相互擴散，在粉末顆粒表面形成了碳化物或碳氧化物，在熱等靜壓過程中由于表面張力在燒結(jié)頸處產(chǎn)生的過?？瘴粷舛葹樵訑U散提供了動力學條件，顆粒內(nèi)部的鈦、鈮及碳等合金元素擴散到表面，而顆粒表面由于存在的低能氧化物/氧化物界面，為碳化物的形核提供了結(jié)構(gòu)條件，從而在顆粒邊界處析出一層穩(wěn)定的富鈦、鈮的碳化物，碳氧化物或氧碳氮化物的網(wǎng)狀薄膜［4］；這層網(wǎng)狀析出物在高溫下具有較高的強度，但塑性卻與金屬基體相差較遠，在熱等靜壓過程中很難發(fā)生變形；碳及氧等雜質(zhì)含量高的異常粉末會形成更為嚴重的PPB。（2）焊渣中的碳與氧化物還會發(fā)生還原反應，生成CO2氣體，釋放的氣體加劇了PPB的形成，同時也會影響熱等靜壓的致密性，使得以焊渣夾雜物為中心形成大面積的PPB。

4 結(jié)論與措施

（1）高壓渦輪盤斷裂的性質(zhì)為疲勞斷裂，其原因是冷卻孔邊存在夾雜物和PPB缺陷。

（2）夾雜物來源于粉末盤毛坯制造過程中的焊渣，PPB則是焊渣夾雜物與合金反應的伴生物。

（3）采用傳統(tǒng)的無損檢測方法（接觸法）對渦輪盤周向進行檢測時存在盲區(qū)，采用水浸法增加周向方向的檢測可以避免夾雜物缺陷的漏檢。

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