DZ22合金空心葉片內(nèi)腔表面裂紋成因

宗 毳，王麗麗，趙金乾，黃朝暉

(北京航空材料研究院 先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

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DZ22合金空心葉片內(nèi)腔表面裂紋成因

宗 毳，王麗麗，趙金乾，黃朝暉

(北京航空材料研究院 先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

對(duì)DZ22合金空心葉片內(nèi)腔表面裂紋進(jìn)行宏觀觀察，比較葉片鑄件在脫芯前與脫芯后內(nèi)腔表面顯微組織的差異，采用X射線衍射儀測(cè)量葉片鑄件榫頭附近殘余應(yīng)力，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝分析葉片內(nèi)腔表面沿晶裂紋的形成原因并提出相應(yīng)的解決措施。結(jié)果表明：葉片鑄件表面殘余應(yīng)力與脫芯過(guò)程中的強(qiáng)堿腐蝕環(huán)境共同作用，是造成DZ22合金空心葉片內(nèi)腔沿晶裂紋的主要原因；適當(dāng)降低澆鑄溫度并使用強(qiáng)度較低的型芯可以有效避免葉片內(nèi)腔裂紋的形成。

高溫合金；定向凝固；沿晶裂紋；碳化物；殘余應(yīng)力

0 引言

鑄造高溫合金的發(fā)展依次經(jīng)歷了等軸晶、柱狀晶以及單晶，其中柱狀晶與單晶葉片以其優(yōu)異的蠕變強(qiáng)度，耐疲勞性與耐腐蝕性使之成為現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片發(fā)展的主流[1-5]。在定向凝固柱晶高溫合金中，沿晶裂紋是較為常見(jiàn)的一種鑄造缺陷，嚴(yán)重影響了鑄件產(chǎn)品的質(zhì)量[6]。通常情況下，鑄件在凝固過(guò)程中固相與液相之間存在一個(gè)糊狀區(qū)，該區(qū)域金屬流動(dòng)性較低。在凝固后期液相體積分?jǐn)?shù)較小的情況下，鑄件的補(bǔ)縮能力較差，會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中，此時(shí)倘若金屬的晶界強(qiáng)度較低時(shí)就會(huì)產(chǎn)生沿晶裂紋[7-8]。此外，空心金屬鑄件熔模中的型芯狀態(tài)在很大的程度上也影響著鑄件熱裂傾向性[9]。如果型芯的退讓性較差，則會(huì)加重鑄件內(nèi)腔表面應(yīng)力集中，導(dǎo)致鑄件的熱裂傾向性增大。

作為第一代高溫合金，DZ22合金已被成功地應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片生產(chǎn)之中[10]，然而該合金在用于空心葉片鑄件生產(chǎn)過(guò)程中存在著沿晶裂紋現(xiàn)象[11]，這給航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性帶來(lái)了巨大的隱患。雖然已有研究表明采用降低澆鑄溫度的方式可以降低沿晶裂紋產(chǎn)生的趨勢(shì)，但是在生產(chǎn)過(guò)程中仍然會(huì)觀察到葉片的內(nèi)腔表面存在沿晶裂紋[11]。目前鮮有文獻(xiàn)討論DZ22合金定向凝固高溫合金鑄件內(nèi)腔表面沿晶裂紋的形成原因。本研究以DZ22合金鑄造的空心葉片為研究對(duì)象，對(duì)該葉片生產(chǎn)過(guò)程中導(dǎo)致內(nèi)腔表面沿晶裂紋形成的原因進(jìn)行系統(tǒng)地分析。觀察鑄件表面裂紋處的金相組織，討論導(dǎo)致葉片沿晶斷裂的形成原因并給出優(yōu)化工藝的建議。

1 試驗(yàn)材料與方法

采用真空定向凝固爐澆鑄DZ22合金空心葉片，母合金成分如表1所示。葉片鑄件澆鑄完成后放入保溫桶0.5 h后空冷至室溫。分別觀察鑄件脫芯前后的表面質(zhì)量情況，并剖切葉片鑄件，腐蝕后觀察其外壁以及內(nèi)腔表面附近金相組織。利用掃描電子顯微鏡觀察鑄件近表面碳化物析出相的形貌。采用X射線衍射儀測(cè)量葉片榫頭處內(nèi)表層、中心層與外表層的內(nèi)應(yīng)力。

2 結(jié)果討論與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

葉片鑄件脫芯前后金相顯微組織如圖1所示。脫芯前鑄件內(nèi)外表面均未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋；脫芯后在鑄件外表面仍未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋，然而在鑄件內(nèi)腔表面處存在微裂紋，裂紋的位于枝晶間附近，如圖1b中箭頭所示。

表1 DZ22合金樣品化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)

圖1 葉片鑄件金相組織

圖2所示為葉片鑄件內(nèi)腔表面脫芯前SEM照片，內(nèi)腔表面無(wú)明顯裂紋，同時(shí)可以觀察到鑄件表面存在有少量碳化物，呈條狀分布在基體中。脫芯12 h后葉片內(nèi)腔表面SEM照片如圖3所示，可見(jiàn)碳化物與基體間出現(xiàn)明顯裂紋，裂紋起源于鑄件表面碳化物附近，并沿著碳化物與基體界面延伸，最終在基體處鈍化。脫芯后葉片經(jīng)過(guò)熒光檢測(cè)的內(nèi)腔表面照片如圖4所示，圖中箭頭所示為裂紋處，宏觀顯示裂紋的方向是沿著定向凝固的[001]方向。葉片低倍組織照片如圖5所示，微裂紋位于晶界處。

利用X射線衍射儀測(cè)量葉片榫頭處內(nèi)表層、中心層與外表層的宏觀殘余應(yīng)力。選取Mn靶，濾波片選取Cr。衍射幾何方式采用同傾法，即X射線所掃過(guò)平面與測(cè)量平面重合，并通過(guò)固定衍射晶面轉(zhuǎn)角ψ的方式進(jìn)行測(cè)定。測(cè)算時(shí)認(rèn)為應(yīng)力方程為線性，最終測(cè)得葉片榫頭處內(nèi)表層、中心層與外表層的宏觀殘余應(yīng)力值分別為58、34、26 MPa。

圖2 鑄件內(nèi)腔表面SEM照片(脫芯前)

圖3 鑄件內(nèi)腔表面SEM照片(脫芯后)

圖4 鑄件內(nèi)腔表面熒光劑檢驗(yàn)照片

圖5 鑄件內(nèi)腔表面低倍組織

2.2 討論與分析

在脫芯前空心葉片內(nèi)、外表面并未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋，這表明葉片鑄件沒(méi)有產(chǎn)生熱裂現(xiàn)象。然而在脫芯后，葉片內(nèi)腔表面產(chǎn)生了沿晶裂紋，由此可以推斷裂紋的產(chǎn)生與脫芯過(guò)程密切相關(guān)。

金屬在凝固過(guò)程中產(chǎn)生收縮，會(huì)在枝晶間產(chǎn)生一定程度的應(yīng)力集中。此外，在空心鑄件生產(chǎn)中，外型殼與型芯均會(huì)造成鑄件表面產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力。當(dāng)金屬鑄件表面殘余應(yīng)力較高時(shí)，若材料晶界強(qiáng)度較低，則發(fā)生沿晶熱裂；若晶界強(qiáng)度足夠高，位錯(cuò)則在晶界處堆積，則會(huì)在晶界處形成較強(qiáng)的應(yīng)力集中。已有研究顯示，由于型芯在一定程度上阻礙了金屬凝固收縮，容易造成空心鑄件與型芯接觸表面存在著較高的殘余拉應(yīng)力[12]。利用X射線衍射儀測(cè)量葉片榫頭處內(nèi)表層、中心層與外表層的內(nèi)應(yīng)力的結(jié)果也顯示，葉片內(nèi)腔表面處于較高的拉應(yīng)力狀態(tài)，其大小遠(yuǎn)大于鑄件外表面。DZ22合金屬于定向高溫合金，較高的表面殘余應(yīng)力會(huì)造成位錯(cuò)堆積在沿[001]方向晶界附近。與此同時(shí)，DZ22合金的主要強(qiáng)化機(jī)理是彌散強(qiáng)化，彌散細(xì)小的碳化物作為強(qiáng)化相分布在基體中，因此不乏一些碳化物裸露在鑄件表面。這些位于鑄件表面并在晶界附近的碳化物則是處在一個(gè)高應(yīng)力集中且暴露在外界的條件下。將這類(lèi)鑄件放入脫芯釜強(qiáng)堿中溫(180 ℃)環(huán)境中，晶界附近的碳化物與基體則處在一個(gè)應(yīng)力腐蝕的環(huán)境中。

形成應(yīng)力腐蝕的條件為拉應(yīng)力，腐蝕環(huán)境以及敏感材料[13]，而葉片生產(chǎn)過(guò)程滿足應(yīng)力腐蝕的所有條件。在強(qiáng)堿條件下，鎳基高溫合金氧化膜會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)[6]：

NiO+2OH-= NiO2-+H2O

由于晶界附近碳化物與基體相界面附近處于較高的拉應(yīng)力狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致此處形成的氧化膜疏松，容易脫落。此外，碳化物與基體相化學(xué)電位差會(huì)導(dǎo)致上述反應(yīng)加速[13]，最終導(dǎo)致微裂紋形成。

2.3 解決措施

綜上所述，葉片內(nèi)腔表面較高的殘余拉應(yīng)力與生產(chǎn)過(guò)程中的脫芯環(huán)節(jié)，是造成葉片內(nèi)腔裂紋的主要原因。然而在實(shí)際生產(chǎn)中，為了保證空心葉片內(nèi)腔中沒(méi)有殘余型芯，通常葉片會(huì)經(jīng)歷多次反復(fù)脫芯過(guò)程，脫芯環(huán)節(jié)無(wú)法避免，因此考慮降低葉片內(nèi)表面殘余應(yīng)力是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。降低澆鑄溫度、減緩定向凝固抽拉速度，可以有效提高定向凝固的溫度梯度，縮小金屬凝固糊狀區(qū)，提高其補(bǔ)縮能力從而降低金屬凝固收縮所造成的殘余應(yīng)力[11]。在優(yōu)化澆鑄工藝的同時(shí)，適當(dāng)?shù)慕档托托緩?qiáng)度，提高型芯的退讓性，也可以有效地降低葉片內(nèi)腔表面殘余應(yīng)力[14]。因此，建議在原澆鑄工藝基礎(chǔ)上降低澆鑄溫10 ℃，并在保證鑄件正常生產(chǎn)的前提下，使用強(qiáng)度相對(duì)較低的型芯重新澆鑄葉片。圖6為優(yōu)化工藝后，經(jīng)過(guò)脫芯的葉片內(nèi)腔近表面金相照片，可見(jiàn)碳化物周?chē)鷽](méi)有明顯裂紋存在，經(jīng)過(guò)熒光檢測(cè)并未發(fā)現(xiàn)沿晶裂紋顯示。

圖6 優(yōu)化工藝后葉片金相組織(脫芯后)

3 結(jié)論

1)DZ22合金空心葉片內(nèi)腔表面殘余應(yīng)力與脫芯強(qiáng)堿環(huán)境會(huì)使葉片內(nèi)腔處于一個(gè)應(yīng)力腐蝕狀態(tài)，導(dǎo)致葉片內(nèi)腔表面晶界附近碳化物周?chē)纬晌⒘鸭y，最終宏觀表現(xiàn)為鑄件內(nèi)腔表面沿晶裂紋。

2)適當(dāng)降低澆鑄溫度，并使用退讓性較好的型芯可以有效地控制DZ22合金空心葉片內(nèi)腔沿晶裂紋的產(chǎn)生。

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Analysis and Solutions of Inner Surface Cracks in Hollow Blades of DZ22 Superalloy

ZONG Cui，WANG Li-li，ZHAO Jin-qian，HUANG Zhao-hui

(NationalKeyLaboratoryofAdvancedHighTemperatureStructuralMaterials，BeijingInstituteofAeronauticalMaterials，Beijing100095,China)

The inner surface cracks in hollow blades of DZ22 superalloy were analyzed by macroscopic observation. In addition, the microstructures near the casting inner surface were observed before and after ceramic cores removing. Residual stress near the blades tenon was measured by using X-ray diffraction method. Finally, the reasons for the cracks were analyzed based on the production process of the hollow blades. The results show that the main reason for the inner surface cracks is the coeffect of the residual stress and the alkaline corrosion during ceramic cores removing process. The inner surface cracks in hollow blades can be avoided by lowering casting temperature and using low-strength ceramic cores.

superalloy; directional solidification; intergranular cracks; carbides; residual stress

2016年6月3日

2016年7月28日

宗毳(1985年-)，男，博士，工程師，主要從事鑄造高溫合金、材料各向異性等方面的研究。

V232.4

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.04.007

1673-6214(2016)04-0232-04