鎳基高溫合金渦輪葉片高溫損傷研究

李艷明，劉 歡，佟文偉，馬斯博，卜嘉利，李 洋

（中國航發沈陽發動機研究所，遼寧 沈陽 110015）

0 引言

渦輪葉片是航空發動機及燃氣輪機中渦輪段的重要組成部件，是承受溫度最高和沖擊力最高的部件[1]。隨著高推重比發動機的迫切要求，渦輪前進口溫度逐漸升高，為了能保證在高溫高壓的極端環境下穩定長時間工作，渦輪葉片往往采用高溫合金制造，并采用不同方式來冷卻，例如采用內部氣流冷卻、邊界層冷卻或表面涂覆熱障涂層等方式來保證渦輪葉片運轉時的可靠性，進一步滿足發動機更高工作溫度需求，減少冷氣流量，提高發動機效率[2-4]。

渦輪葉片長期在高溫環境下工作，容易出現熱障涂層失效、腐蝕、裂紋、燒蝕和掉塊等一系列損傷問題[5-6]，嚴重影響著發動機的安全使用。熱障涂層的失效主要體現為：高溫燒結影響隔熱效率、熱生長氧化層產生應力引起涂層局部剝落、高溫氣流的沖擊產生局部損傷點和外來沉積物產生局部腐蝕等[7-8]。渦輪進口溫度不均，葉片各部分散熱速度和對氣流的滯止作用不同，導致葉片表面溫度不均，局部溫度過高，葉片材料的抗高溫性能明顯下降，致使葉片產生變形，甚至產生裂紋和燒蝕[9]。由于葉片型面各處厚薄不一，當燃氣溫度變化時，葉片各部分熱傳導滯后速率不一，使得葉片內產生交變的熱應力。外界溫度變化越劇烈，葉片內所產生的交變熱應力值越大，會在局部區域造成塑性變形，同時使得材料的疲勞強度極限降低，易產生熱疲勞裂紋[10-11]。海洋環境下的發動機渦輪葉片會遭受腐蝕問題，海洋環境中大量的鹽粒子與發動機燃油在燃燒過程中產生的大量含硫燃氣共同作用，會在渦輪葉片表面沉積一層混合型鹽膜，使得葉片表面在熔融鹽的作用下發生高溫腐蝕[12]。

本文針對渦輪葉片在工作過程中出現的高溫損傷情況進行歸納總結，介紹渦輪葉片的服役損傷模式，探究渦輪葉片服役損傷機理，為葉片設計改進和長壽命使用提供技術基礎。

1 高溫損傷類型

1.1 熱障涂層脫落

熱障涂層是由陶瓷面層和金屬黏結層組成的涂層系統，利用涂層的低熱傳導特性，阻隔對葉片基體的換熱，有效降低合金表面工作溫度，提高基體合金抗高溫氧化能力。在發動機渦輪葉片維修檢測中，發現故障葉片的主要失效原因為高溫氧化燒結和CMAS侵蝕。由于高溫氧化現象，黏結層長時間使用會形成尖晶石等氧化物，受熱失配及生長應力影響，導致陶瓷層和黏結層界面開裂。同時，在陶瓷層和黏結層間形成TGO（Thermal Grown Oxide，熱生長氧化層），黏結層厚度逐漸變厚，這將在界面間產生殘余應力，殘余應力將引起涂層中微裂紋的擴展，進而導致涂層剝落失效。航空發動機內表面的熱障涂層會使得發動機吸入的沙粒、浮塵和飛灰沉積在渦輪葉片的表面，在高溫的作用下，變成熔融態的CMAS 沉積物并嵌入涂層晶粒結構中，隨著發動機循環次數和使用溫度的增加，CMAS 的凝固熔化次數增多，流動性更強，進一步促進熱障涂層的局部剝落和早期失效。

圖1 為高壓渦輪導向葉片涂層脫落情況。對涂層脫落區表面進行能譜分析和物相分析發現，主要產物為NiO 和Al2O3，還伴有少量Ca、Mg、Si 的氧化物等。對涂層脫落處氣膜孔內部進行檢查發現，局部堵孔，附著物主要為CMAS 沉積物，如圖2 所示。取葉片基體截面進行組織檢查，可見組織中一次γ′回溶，生成大量的二次γ′，判斷此處位置經歷過一定的超溫，如圖3 所示。故障分析認為涂層脫落形成的主要原因是葉片在高溫燃氣環境下形成的氧化產物與燃氣中的外來雜質燒結，黏著在葉片涂層表面和氣膜孔內，將氣膜孔堵塞，致使葉片氣膜孔的冷卻作用喪失，從而導致涂層脫落。

圖2 氣膜孔內部形貌

圖3 涂層脫落處基體組織形貌

1.2 燒蝕與裂紋

渦輪葉片的燒蝕和裂紋產生原因一般為燃氣溫度過高及溫度場分布不均勻、材料抗高溫能力弱、葉片冷卻效果差等。燃燒室啟動時積油起火、點火電嘴工作不良和起動噴嘴油壓過低等問題均會導致火焰拉長到尾噴管中而引起發動機啟動超溫，導致渦輪部件燒蝕損傷。氣膜孔堵塞也會使冷卻氣流未均勻覆蓋到葉片表面，冷卻效果降低，導致局部形成高溫區，超過葉片基體材料的許用溫度，導致基體材料性能減弱，長期服役后使得葉片產生裂紋及燒蝕。

圖4 為高壓渦輪工作葉片的燒蝕圖像。燒蝕部位位于葉尖處，對葉尖表面進行觀察，主要呈現燒蝕孔洞和氧化顆粒形貌特征，產物為葉片基體材料的氧化物，如圖5 所示。對葉尖位置組織進行觀察，可見組織γ′相發生大量回溶、γ′相數量變少，析出二次γ′相，表明發生嚴重超溫，如圖6 所示。故障分析認為燒蝕問題是在發動機啟動過程中出現的，引起高壓渦輪工作葉片燒蝕的主要原因為啟動過程燃燒室富油，火焰外伸，造成高壓渦輪工作葉片環境溫度過高。

圖4 渦輪葉片葉尖燒蝕宏觀圖像

圖5 渦輪葉片葉尖燒蝕微觀形貌

圖6 渦輪葉片葉尖燒蝕組織形貌

圖7 為高壓渦輪導向葉片的裂紋圖像，裂紋位于葉身中部位置，裂紋穿過氣膜孔。對葉片裂紋附近位置進行取樣觀察，組織中原始的γ′相全部回溶，并析出細小的二次γ′相，表明裂紋附近前緣基體超溫嚴重，微觀形貌如圖8 所示。裂紋附近熱障涂層已全部缺失，氣膜孔發生明顯的變形和堵塞，微觀形貌如圖9 所示。對附著物進行成分分析發現，附著物主要為氧化產物（主要成分為Fe、O、Si、Ca 和Al 等），具體應為燃料燃燒和外界沙塵的附著物。對葉片前緣中部區域裂紋源區第2 個氣膜孔排數的孔徑進行測量，如圖10 所示，裂紋附近區域孔徑遠小于設計值，大部分孔徑約為0.26 mm。前緣其他區域氣膜孔徑略低于設計值，最小孔徑約為0.49 mm，發動機工作后的氣膜孔孔徑變化不明顯，未見明顯堵口現象。故障分析認為基體裂紋形成的主要原因是熱障涂層涂覆后引起前緣氣膜孔孔徑減小，使用過程中前緣氣膜孔受燃氣氧化附著物影響加速孔口堵塞，影響了前緣局部溫度場的冷氣流量，導致葉片局部超溫嚴重，降低了基體本身的材料性能，促使了葉片葉身開裂。

圖7 渦輪葉片葉身裂紋圖像

圖8 裂紋附近氣膜孔表面微觀形貌

圖9 葉片裂紋附近位置組織微觀形貌

圖10 葉片前緣氣膜孔孔徑測量結果

1.3 高溫腐蝕

高溫腐蝕是指金屬材料在高溫環境下，由于環境因素反應而沉積在表面上的沉積物在氧和其他腐蝕性氣體作用下加速腐蝕的現象。特征表現為在金屬表面通常會沉積一層混合熔融鹽（NaCl、Na2SO4等）膜，發生氧化和硫化反應，產生疏松多孔的氧化物和沿晶界分布的硫化物，從而使金屬材料發生熱腐蝕，嚴重的熱腐蝕會造成災難性的事故。

使用后的低壓渦輪導向葉片在葉身中部存在裂紋，將葉片解剖發現，葉身壁厚減薄，內腔壁面出現了向基體侵蝕的現象，宏觀圖像如圖11 所示。對葉片裂紋斷口表現進行觀察，可見呈現疏松的層狀結構，微觀圖像如圖12 所示。對斷口表面進行能譜分析，含有較高的O 和S 元素，結合斷口形貌綜合分析，葉片發生了高溫腐蝕。故障分析認為導致低渦葉片出現裂紋的原因為葉片內腔出現了高溫腐蝕現象，使得葉身金屬基體的厚度不斷減薄，葉片葉身局部結構強度降低，在發動機工作狀態高溫環境及氣動力的作用下產生了裂紋。

圖11 低壓渦輪導向葉片葉身截面圖像

圖12 低壓渦輪導向葉片裂紋斷口形貌

1.4 組織演變

材料組織的演變會直接影響合金整體的性能，γ′相是鎳基高溫合金渦輪葉片基體組織的主要強化相，其形貌、尺寸、數量等因素是葉片經歷高溫服役環境的直接體現。渦輪葉片在服役過程中，除了受到高溫環境的作用，還會受到離心載荷、氣動載荷和振動載荷引起的應力作用，γ′會發生長大、聚集粗化、回溶、二次析出及筏排化等不同形式的轉變，微觀組織的退化程度直接影響材料性能損傷程度。高溫會導致γ′體積分數的下降，高應力會增加γ′相筏形程度，葉片實際服役過程中的作用應為熱力耦合的共同作用。

對服役后葉片顯微組織進行觀察，可見組織中的γ′相發生溶解、連接、粗化等演變現象，同時還存在著γ′相的筏排化，形貌如圖13 所示。葉身前緣受損傷最嚴重，燃氣氣流最先接觸位置就是葉片的前緣位置，承受的溫度最高；尾緣承受溫度為次高，γ′相變化程度也較大，同時也出現筏排化現象；中部區域溫度較低，只出現γ′相的溶解、粗化現象。

1.5 高溫蠕變

蠕變是指金屬材料在恒溫、恒載和長期作用下緩慢產生塑性變形的現象。低溫對材料的蠕變影響較小，但是在高溫條件下，蠕變對構件產生的影響十分顯著。渦輪葉片設計體系要求限制壽命期內的葉片蠕變伸長量及因蠕變導致的葉片材料組織退化，避免葉片過早失效。

工作后的低壓渦輪工作葉片葉冠、葉尖存在嚴重磨損，宏觀形貌見圖14。對磨損較嚴重的10 片葉片葉身尺寸進行測量，平均尺寸增加約1.1 mm，葉身整體蠕變量增大。其中1 片葉片葉身橫、縱截面組織微觀形貌如圖15 所示，橫截面組織中γ′相邊緣趨于圓滑，并連通長大；縱截面組織中γ′相存在筏排化現象，表明葉片葉身部位經歷了一定程度的超溫。為了進一步明確判定葉片的超溫情況，可以進一步設計熱模擬試驗，建立葉片基體材料在不同溫度下的組織圖譜，通過真實葉片的組織狀態與圖譜對比，進而判斷葉片的最高服役溫度。故障分析認為葉片葉尖磨損的主要原因是渦輪葉片長時間在較高溫度下工作，溫度超過葉片材料的許用溫度，在離心力的共同作用下，葉片蠕變伸長，導致葉片與外環蜂窩產生碰磨。

圖14 葉冠表面磨損形貌

2 結語

渦輪葉片高溫損傷模式較復雜，與基體材料、涂層性能和服役環境密切相關，通過觀察工作、理論分析工作，以及對各項試驗獲得的信息加以分析，然后有機結合地進行整體分析，來判斷損傷模式，分析損傷原因。定期對葉片進行孔探檢查、無損檢測等工作是十分必要的，及時掌握渦輪葉片的工作狀態，可盡早發現葉片損傷情況，有效減少經濟損失，進一步保證發動機的安全可靠運行。