[摘要]　對(duì)一種發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)向器葉片的變形、裂紋及其斷口進(jìn)行金相和電鏡分析。結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)不均勻，出現(xiàn)局部高溫，致使導(dǎo)向器葉片產(chǎn)生過燒，造成變形和裂紋。

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
　　某型發(fā)動(dòng)機(jī)在工廠飛行兩個(gè)起落（約3h）后檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)二級(jí)導(dǎo)向器葉片的進(jìn)氣邊變形和出現(xiàn)裂紋，后來又相繼發(fā)現(xiàn)14臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)類似故障。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，故障葉片的位置均集中在1^＃，5^＃和31^＃上，其中以5^＃位置的葉片變形最為嚴(yán)重，出現(xiàn)的次數(shù)最多，有的變形量已達(dá)10mm以上，葉片變形后明顯彎曲，致使其小軸從結(jié)合環(huán)孔中抽出，葉片向后傾斜和二級(jí)渦輪葉片相磨。
　　本文取P7830141號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的5^＃葉片（該葉片的鑄造爐號(hào)為82D1324）進(jìn)行理化分析，以便找出葉片變形和產(chǎn)生裂紋的原因。

2　試驗(yàn)結(jié)果
2.1　外觀檢查
　　5^＃故障葉片外觀如圖1所示。在進(jìn)氣邊葉盆面上有一條長(zhǎng)為13.96mm的橫向主裂紋，距小安裝板為21.8mm，在主裂紋下方10.3mm處還有一條4.2mm長(zhǎng)的小裂紋，在主裂紋兩側(cè)有明顯的皺紋，這種皺紋從進(jìn)氣邊到排氣邊由寬變窄，并逐漸消逝，皺紋區(qū)呈灰白色。在主裂紋的附近，葉片向葉背方向彎曲和嚴(yán)重變形。
2.2　材質(zhì)檢查
　　某型發(fā)動(dòng)機(jī)二級(jí)導(dǎo)向器葉片用K403鎳基鑄造高溫合金精鑄而成，從故障葉片的4^＃位置（圖1）切取試樣，化學(xué)成分分析結(jié)果如下表所示。　

圖1　5^＃故障葉片（葉盆面）外觀形貌
Fig.1　Appearance of the failed 5^＃ vane （face）

　　由表1可知，除B元素比技術(shù)條件要求略低外，其他元素均符合技術(shù)要求。
Table 1　Chemical composition of the failed 5^＃ blade

表　5^＃故障葉片化學(xué)成分分析結(jié)果

圖2　主裂紋形貌及其組織　2×
Fig.2　Morphology of main crack in the failed vane

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

2.4　電鏡觀察
　　在葉身不同部位切取金相試樣，二次碳復(fù)型，用透射電鏡觀察故障葉片不同部位的高倍組織。
　　首先，沿葉身縱向分別在1^＃，2^＃和3^＃位置（詳見圖1）取樣，電鏡觀察結(jié)果如圖4。由圖4可見，1^＃位置靠近小安裝板外，距主裂紋22.3mm；2^＃位置靠近主裂紋下面的皺紋處；3^＃位置靠近大安裝板處，距主裂紋80mm。可知，1^＃位置γ′相及碳化物基本正常，但γ′相略有長(zhǎng)大；2^＃位置γ′相全部溶解，在葉身冷卻時(shí)，又重新析出二次細(xì)小的γ′相，證明該處的溫度已超出K403合金γ′相完全溶解的溫度；3^＃位置γ′相和碳化物正常，因?yàn)榇颂幙拷蟀惭b板，溫度較低。

圖4　沿故障葉片葉身縱向不同部位的組織　5000×
Fig.4　Micrographs of the failed vane in its different positions along a lingitudinal direction

　　其次，沿主裂紋擴(kuò)展方向（葉身橫向）分九個(gè)部位觀察故障葉片的電鏡組織，每個(gè)部位的范圍約為1.75mm，觀察位置距裂紋的邊緣為0.8mm（如圖3中箭頭所示），觀察結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，從進(jìn)氣邊緣的第1部位至第4部位，γ′相完全溶解，空冷后又重新析出二次細(xì)小的γ′相，還殘留部分碳化物，可見，這些部位的實(shí)際工作溫度已超過K403合金的γ′相完全溶解溫度；從第5部位到第7部位組織形貌基本相同，一次γ′相大部分溶解，并析出二次細(xì)小的γ′相，殘留一小部分一次γ′相和碳化物，這些部位的實(shí)際工作溫度也相當(dāng)高，已經(jīng)接近γ′相完全溶解的溫度；第8至第9部位有少量的一次γ′相溶解，伴隨著二次γ′相析出。

（1）1～4部位　　　　　　　（2）5～7部位　　　　　　?。?）8～9部位
圖5　故障葉片沿葉身橫向不同部位的組織　5000×
Fig.5　Micrographs of the failed vane in its different positions along a transverse direction

2.5　模擬試驗(yàn)
　　為確定K403合金γ′相完全溶解的溫度，特做了兩個(gè)模擬試驗(yàn)：#p#分頁標(biāo)題#e#
　?。?）對(duì)K403合金采用不同的加熱溫度，用金相、電鏡方法觀察γ′相形態(tài)，測(cè)得K403合金γ′相完全溶解的溫度為1210℃，如圖6所示。

圖6　K403合金1210℃加熱后電鏡組織　5000×
Fig.6　Electron micrograph of K403 alloy heated at 1210℃

　?。?）對(duì)K403合金在同一個(gè)加熱溫度（1250℃）下，采用不同的保溫時(shí)間，用金相、電鏡方法觀察γ′相的形態(tài)，測(cè)得K403合金在1250℃下，加熱3min足以使γ′相完全溶解，如圖7所示。

圖7　K403合金1250℃3min后的電鏡組織　6000×
Fig.7　Electron micrograph of K403 alloy
heated at 1210℃ for 3min

2.6　斷口分析
　　宏觀斷口如圖8。由圖8可見，裂紋起于進(jìn)氣邊，裂紋擴(kuò)展方向與進(jìn)氣邊相垂直；斷口粗糙，高低不平；裂紋源區(qū)（進(jìn)氣邊圓角R處）柱晶方向不明顯，晶粒細(xì)小，這可能與進(jìn)氣邊表層出現(xiàn)初熔組織有關(guān)。整個(gè)斷口屬于沿晶斷裂。
　　碳二次復(fù)型和透射電鏡觀察，斷口源區(qū)沿晶斷裂形貌如圖9所示。

圖8　5^＃故障葉片的宏觀斷口　6×
Fig.8　Macro-fracture of the failed 5^＃ vane

圖9　5^＃故障葉片進(jìn)氣邊斷口形貌　5000×
Fig.9　Fracture morphology of leading edge of the failed 5^＃ vane

3　討論
3.1　二級(jí)導(dǎo)向器葉片的工作溫度
　　二級(jí)導(dǎo)向器葉片材料為K403鎳基鑄造高溫合金，其正常工作溫度為950℃左右。試驗(yàn)證明：進(jìn)氣邊皺紋處γ′相完全溶解，金相組織發(fā)生變化，導(dǎo)致合金性能下降。模擬試驗(yàn)測(cè)出K403合金γ′相完全溶解的溫度為1210℃，可見二級(jí)導(dǎo)向器葉片實(shí)際工作溫度遠(yuǎn)超出正常工作溫度，高達(dá)1200℃以上。在這樣高的工作溫度下，合金的主要強(qiáng)化相γ′在幾分鐘之內(nèi)便會(huì)完全溶解，合金產(chǎn)生過熱或過燒，強(qiáng)度和塑性急劇下降。前蘇聯(lián)資料報(bào)導(dǎo)，ЖС-6К鎳基鑄造高溫合金在1030℃時(shí)的持久強(qiáng)度比900℃時(shí)要下降1/3；高溫瞬時(shí)強(qiáng)度在1100℃時(shí)比900℃時(shí)要下降2/3。因此超溫過熱或過燒是導(dǎo)致二級(jí)導(dǎo)向器葉片變形和裂紋的主導(dǎo)因素。
3.2　二級(jí)導(dǎo)向器葉片的熱應(yīng)力
　　在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作狀態(tài)下，二級(jí)導(dǎo)向器葉片承受較小的振動(dòng)應(yīng)力和熱應(yīng)力。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)不均勻時(shí)，葉片進(jìn)氣邊局部區(qū)域承受1200℃以上的高溫，受熱部位急劇升溫，葉身的熱膨脹，一方面由于葉身受熱不均勻，在內(nèi)部受到約束，另一方面在外部受到機(jī)匣和結(jié)合環(huán)的約束。在雙重約束力的作用下，熱膨脹受阻，于是在葉身內(nèi)部產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力，當(dāng)這種熱應(yīng)力的水平超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，葉身便產(chǎn)生塑性變形；當(dāng)超過強(qiáng)度極限時(shí)，葉身便發(fā)生斷裂?？梢?，二級(jí)導(dǎo)向器葉片的變形和裂紋是熱應(yīng)力作用的結(jié)果，而這種導(dǎo)致葉片變形和開裂的熱應(yīng)力，主要來源于葉片進(jìn)氣邊的超溫作用。

4　結(jié)論
　　（1）二級(jí)導(dǎo)向器葉片的材質(zhì)符合技術(shù)條件的要求；在裂紋的起始部位和擴(kuò)展區(qū)均未發(fā)現(xiàn)冶金缺陷；葉片的變形和裂紋與材質(zhì)無關(guān)。#p#分頁標(biāo)題#e#
　?。?）發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)不均勻，在固定部位（1^＃，5^＃，31^＃部位）出現(xiàn)局部高溫區(qū)，其最高熱點(diǎn)溫度大于1200℃，致使二級(jí)導(dǎo)向器葉片進(jìn)氣邊產(chǎn)生過熱或過燒，造成葉片變形和裂紋。

5　建議
　　設(shè)計(jì)和使用部門從結(jié)構(gòu)、燃燒系統(tǒng)、使用維護(hù)、調(diào)試等各方面，查明發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度場(chǎng)不均勻的原因，采取相應(yīng)的改正措施。