都亞仙， 滕躍飛， 孫智君， 曹 瑋， 黎勝權(quán)

（中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動機(jī)制造有限責(zé)任公司，上海 201306）

0 引言

TiAl合金比強(qiáng)度高且具有優(yōu)異的抗蠕變性能和抗高溫氧化能力，使其成為在600～900 ℃最有潛力的結(jié)構(gòu)材料之一[1]。通過提高渦輪前服役溫度是有效提高發(fā)動機(jī)性能的手段，使用TiAl代替高溫合金制造高溫轉(zhuǎn)動或者往復(fù)件，能夠滿足日益增長的對燃油效率提高的需求[2]。自?2006年GE公司宣布GEnx發(fā)動機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件 第6、7級低壓渦輪葉片將采用4822合金制造[3]，γ-TiAl合金作為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件進(jìn)入工程應(yīng)用階段。目前，世界上的主要航空發(fā)動機(jī)公司如 GE、RR和P&W都致力于TiAl合金的工程化應(yīng)用開發(fā)，并主要集中在低壓渦輪的最后一級或兩級的工作葉片開發(fā)[4]。2011年，我國973計劃啟動了輕質(zhì)高溫TiAl金屬間化合物主題的項目。對γ-TiAl 合金渦輪葉片的制造而言，國內(nèi)外均采用失蠟鑄造，其工藝十分復(fù)雜，包括4個部分：母合金制備、模殼制備、鑄造和質(zhì)量檢驗控制[5]。Ti的化學(xué)性質(zhì)活潑，對γ-TiAl合金的鑄造而言，需采用比Ti的氧化物更穩(wěn)定的氧化物制作模殼面層，才能最大限度地降低間隙元素污染和夾雜。Y2O3面層由于其較高的熱力學(xué)穩(wěn)定性，成為γ-TiAl合金精密鑄造膜殼面層材料的最佳選擇[6]。

疲勞是構(gòu)件在服役時的主要失效方式，對于具有本征脆性的TiAl合金而言，其疲勞斷裂有其特殊性。TiAl合金作為一種新型的葉片材料，必然由于其材料特性、工藝以及結(jié)構(gòu)等方面的因素帶來工程化應(yīng)用的問題，而目前針對TiAl合金的研究多集中在材料性能以及制造工藝方面，在模擬考核低壓渦輪葉片工程應(yīng)用中實際質(zhì)量的研究還未見報道。

本研究梳理一批振動疲勞考核后的TiAl低壓渦輪葉片的斷裂情況進(jìn)行分析，總結(jié)低壓渦輪TiAl葉片振動疲勞行為與特征，為TiAl葉片的設(shè)計改進(jìn)及裝機(jī)應(yīng)用提供參考。

1 試驗過程

低壓渦輪鈦鋁葉片開展振動疲勞試驗，試驗過程中葉片采用懸臂約束方式進(jìn)行安裝，葉片榫頭經(jīng)夾具夾緊后安裝到振動臺上。葉片振動頻率下降1%停止試驗進(jìn)行裂紋檢查，共23件葉片出現(xiàn)裂紋。試驗時間20～50 h不等，其中葉片振動頻率下降時間為60～180 s。葉片疲勞壽命的分散性較大，比如在同一應(yīng)力水平下，最短壽命僅約2.0×105周次，最高可達(dá)3×107周次，相差2個數(shù)量級。葉片模型見圖1，其中將榫槽底部標(biāo)記為Ⅰ區(qū)，將葉身標(biāo)記為Ⅱ區(qū)。葉片采用熔模鑄造工藝，模殼材料為Y2O3、Al2O3，后經(jīng)熱等靜壓及真空熱處理后交付使用。

圖1 葉片結(jié)構(gòu)及斷裂位置模型圖Fig.1 Schematic diagram of blade structure and fracture location

利用體視顯微鏡對斷口形貌進(jìn)行宏觀檢查。斷口經(jīng)超聲波清洗，采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對斷口宏、微觀形貌進(jìn)行觀察分析，利用能譜分析儀對故障葉片成分進(jìn)行檢測。在榫頭裂紋起源處取樣采用金相顯微鏡進(jìn)行基體顯微組織分析，金相腐蝕劑成分為 3 mL HF+10 mL HNO3+87 mL H2O。

2 葉片室溫條件振動疲勞斷裂特點

23件葉片經(jīng)分析均屬振動疲勞裂紋，其中，21件斷裂位置在榫槽底部，2件斷裂位置在葉身，分別位于圖1中的Ⅰ、Ⅱ區(qū)。斷裂于榫槽底部的裂紋平行于榫頭頂部，沿槽底擴(kuò)展并延伸至榫頭側(cè)面，頻率下降1%時，裂紋長度為12～22 mm；葉身斷裂葉片在試驗過程中完全斷裂，2件斷裂位置距離葉根處分別約為7、20 mm，斷面與應(yīng)力方向垂直。

2.1 榫槽斷口分析

打開榫槽底部斷口進(jìn)行觀察，典型宏觀形貌見圖2。葉片疲勞斷口部分宏觀形貌相似，斷面整體較為平整，斷口無明顯宏觀塑性變形，表現(xiàn)出脆性斷裂的特征。疲勞斷口部分比人為打開斷口部分稍微偏暗。

根據(jù)斷口上疲勞區(qū)域顏色及棱線擴(kuò)展情況可知，裂紋起源位置分別有葉盆側(cè)排氣邊榫槽底部R角（11件）、葉盆側(cè)進(jìn)氣邊榫槽底部R角（7件）、葉背側(cè)排氣邊榫槽底部R角（1件）、榫槽底部葉背側(cè)中部（2件），分別如圖2所示的位置1～4。從斷口起源來看，裂紋均為線源起始，源區(qū)未見冶金缺陷，多數(shù)葉片源區(qū)小裂紋以穿片層的方式擴(kuò)展（圖3），其壽命普遍達(dá)到106以上。如果在源區(qū)的截面出現(xiàn)軟取向的大晶粒，裂紋在沿層片界面形核，并在粗大片層組織中沿層片擴(kuò)展，由于裂紋在單一晶粒內(nèi)裂紋擴(kuò)展速率較快，使得小裂紋尺寸迅速擴(kuò)展至臨界裂紋尺寸（圖4），源區(qū)粗大的片層組織分別約為75、150 μm。當(dāng)粗大片層組織出現(xiàn)在局部高應(yīng)力位置如葉片葉背側(cè)榫槽中部時，裂紋傾向于在葉片榫槽葉背側(cè)起源（圖4a）。由于葉背側(cè)榫槽中部位置應(yīng)力水平較R位置小，其壽命仍接近107，但在榫槽底部R角高應(yīng)力位置時，疲勞壽命僅有105（圖4b）。此外，部分葉片源區(qū)附近存在多個沿片層斷裂特點，使得局部出現(xiàn)沿片層斷裂的相對聚集區(qū)（圖4a）。因此，沿片層大晶粒的尺寸、數(shù)量和分布位置對疲勞壽命有重要影響，并且主要體現(xiàn)在對疲勞裂紋萌生壽命的影響。裂紋起源后沿榫槽底部向葉背/葉盆及進(jìn)排氣邊擴(kuò)展，裂紋源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)、人為打開斷口區(qū)均可見裂紋穿層斷裂、沿層間斷裂的光滑刻面，以及穿層片和沿層片交替的臺階式擴(kuò)展斷面（圖5）。

圖3 葉片斷口穿片層起源Fig.3 Fatigue crack initiation across layer

圖4 沿表面粗大片層組織起源Fig.4 Fatigue crack initiation from coarse lamellar structure

圖5 典型斷口特征Fig.5 Typical cleavage fracture

2.2 葉身斷口分析

2件葉身斷裂葉片斷口源區(qū)形貌見圖6，可見葉片斷裂起源于排氣邊近表面的缺陷處，缺陷尺寸約為375、472 μm。缺陷內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密時，斷口整個呈現(xiàn)光滑的斷面，缺陷結(jié)構(gòu)不致密時，微觀斷口呈現(xiàn)沿晶及光滑刻面混合斷裂特征，部分光滑刻面較大，部分光滑刻面小，沿晶顆粒相對較小，呈現(xiàn)粉末顆粒特征（圖6c）。源區(qū)附近的斷口呈現(xiàn)等軸沿晶及光滑刻面特征，可見河流花樣，為小臺階特征（圖6d），與正常擴(kuò)展區(qū)穿片層大臺階或沿片層的小臺階特征有所區(qū)別。

對葉身斷裂起源夾渣區(qū)域（圖6a中的1、2區(qū)）進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表1?？芍獖A渣主要有2種成分，即Al、O及 O、Y，故夾渣主要為氧化釔及氧化鋁。綜上，葉身斷裂的葉片從近表面處的氧化釔及氧化鋁夾渣處起源。

表1 夾渣能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 EDS results of inclusions (mass fraction /%)

圖6 典型葉身斷裂葉片斷口形貌Fig.6 Fracture morphology of Blade 1

2.3 金相組織分析

對葉片源區(qū)處斷口剖面進(jìn)行金相組織分析，葉片顯微組織均為 γ+α2全片層顯微組織，有少量等軸晶粒。從疲勞裂紋源區(qū)及源區(qū)附近剖面來看，無明顯較深表面加工痕跡等缺陷，裂紋擴(kuò)展時，有穿層片及沿層片擴(kuò)展（圖7）。

圖7 葉片榫頭處典型金相組織Fig.7 Typical metallographic structure at blade lenon

3 分析及討論

通過以上對葉片室溫條件下振動疲勞裂紋宏觀斷裂位置、斷口特點、金相組織等的分析，對葉片在室溫條件下的裂紋位置影響因素，裂紋的起源、擴(kuò)展與組織的關(guān)系等，對23件TiAl葉片疲勞壽命分散性進(jìn)行分析總結(jié)。

3.1 裂紋位置的影響因素

從葉片的受力狀態(tài)看，葉片榫槽底部是葉片高應(yīng)力的截面，除了2件存在鑄造夾渣（≥0.375 mm葉身亞表面）的葉片由葉身缺陷處起源斷裂外，其余葉片均由高的榫槽底部斷裂。從榫槽具體的起源位置來看，葉盆側(cè)榫槽底部應(yīng)力相對較高，進(jìn)排氣端面轉(zhuǎn)接R附近的榫槽底部位于應(yīng)力集中位置，這說明即使TiAl葉片的疲勞壽命的有較大分散性，總體斷裂起始位置依然遵從應(yīng)力和強(qiáng)度原則，即在應(yīng)力最大和強(qiáng)度最弱的截面斷裂。

3.2 裂紋起源、擴(kuò)展與組織的關(guān)系

組織中裂紋的形核和擴(kuò)展決定了材料的力學(xué)性能。研究表明，對TiAl全片層組織來說，疲勞裂紋在多個軟取向?qū)悠瑘F(tuán)（如層片界面與外加應(yīng)力之間夾角為45°時）中沿層片界面形核[7-8]，疲勞裂紋以穿層片、沿層片界面以及在單一γ層片內(nèi)沿滑移面的混合方式擴(kuò)展[9]，且裂紋擴(kuò)展方向垂直于片層取向時，擴(kuò)展抗力較高。因此，當(dāng)裂紋在軟取向的層片團(tuán)中沿層片界面形核后，當(dāng)擴(kuò)展路線內(nèi)的晶粒片層也有類似取向時，裂紋更容易發(fā)生擴(kuò)展，短裂紋迅速擴(kuò)展成長裂紋，達(dá)到臨界裂紋尺寸；存在相對聚集的軟取向晶粒，更易聚合形成長裂紋，進(jìn)一步縮短疲勞壽命。因此，本研究中一旦有裂紋在高應(yīng)力位置的粗大片層組織形核，裂紋會迅速擴(kuò)展至臨界尺寸，疲勞壽命也僅為105。

組織缺陷也影響葉片的疲勞壽命，就本研究中葉身斷裂的葉片而言，葉片斷裂起源于葉身排氣邊近表面夾渣，能譜分析結(jié)果表明夾渣為Al2O3、Y2O3。葉片采用熔模鑄造工藝，調(diào)查得知模殼面層材料為Y2O3。Y2O3模殼較難燒結(jié)，模殼表面存在粘結(jié)不牢固的面層Y2O3顆粒，而這些顆粒會在鑄造的過程中混入合金液中形成夾雜，因此夾渣來源于熔模鑄造模殼面層材料。夾渣不但導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，且使受力截面面積減少，增大截面應(yīng)力水平，誘發(fā)葉片葉身早期開裂。此外，夾渣與基體界面結(jié)合不緊密，有時伴隨縮孔等缺陷，縮孔在后續(xù)熱等靜壓過程中會在原縮孔處發(fā)生再結(jié)晶形成大量的等軸γ晶粒，裂紋在等軸晶及片層團(tuán)的界面處形核[10]。由于等軸晶為脆性相，裂紋在等軸晶區(qū)域快速擴(kuò)展，發(fā)生沿晶斷裂，對性能產(chǎn)生不利的影響。夾渣特別是近表面大尺寸的夾渣對葉片的疲勞壽命的損害是顯著的，在同等應(yīng)力水平下，與榫頭處斷裂的葉片相比，葉身斷裂的葉片疲勞壽命成倍下降，甚至有數(shù)量級的差異。實際上，由于大推力大涵道比發(fā)動機(jī)的低壓渦輪葉片較長，弦展寬，排氣邊很薄，截面彎度大，對冶金質(zhì)量、力學(xué)性能和尺寸精度要求高，是難度最大的精密鑄件之一。對于凈尺寸鑄造而言，最常見的缺陷包括排氣邊難以完好充型、夾雜、氣孔和表面疏松[4]。文獻(xiàn)[11]表明，由小Y2O3顆粒聚集而成的夾雜和由單個大Y2O3顆粒構(gòu)成的夾雜對TiAl拉伸性能的影響基本一致，Y2O3夾雜的臨界尺寸與晶粒尺寸接近。因此在制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)充分考慮關(guān)鍵位置的聚集Y2O3顆粒以及孤立Y2O3的允許尺寸。

3.3 疲勞壽命分散性

葉片振動疲勞試驗疲勞壽命由裂紋萌生壽命和擴(kuò)展壽命構(gòu)成，一般金屬材料裂紋萌生壽命占到總壽命的80%，而通過研究對葉片頻率下降情況的統(tǒng)計，葉片頻率下降1%，普遍用時僅有60～180 s左右，相對于整個振動試驗的20～50 h而言，頻率下降時間占比極低，說明TiAl葉片裂紋擴(kuò)展時間極短，疲勞壽命主要來源于裂紋萌生階段的貢獻(xiàn)。通過斷口分析并結(jié)合文獻(xiàn)[12-13]，TiAl葉片疲勞斷口特點為沿片層、穿片層脆性斷裂特征，無明顯疲勞條帶，裂紋擴(kuò)展速率很快，疲勞區(qū)與瞬斷區(qū)無明顯區(qū)別。因此，裂紋的形核和小裂紋擴(kuò)展形成過程決定了TiAl合金葉片的疲勞壽命波動程度。疲勞裂紋在葉片受力較大的位置上且取向有利于發(fā)生滑移的層片團(tuán)內(nèi)形核，形核阻力取決于受力較大的位置上層片團(tuán)的取向。若層片團(tuán)尺寸足夠大，疲勞裂紋形核后在層片團(tuán)內(nèi)沿層片界面迅速擴(kuò)展至長裂紋尺寸，合金對長裂紋擴(kuò)展抗力較低易發(fā)生疲勞失效。在本研究中，當(dāng)軟取向的粗大片層組織并非位于名義應(yīng)力最高的位置如榫頭R角，而是位于榫頭葉背側(cè)中部時，裂紋反而會在榫頭葉背側(cè)中部萌生。另外，源區(qū)相對聚集的軟取向片層團(tuán)更易于形成長尺寸裂紋，促進(jìn)裂紋的萌生。因此，對于特別粗大的層片組織，其疲勞壽命主要取決于軟取向?qū)悠瑘F(tuán)出現(xiàn)在受力較大的位置上的幾率。若層片團(tuán)尺寸較小，裂紋形核后需向相鄰層片團(tuán)擴(kuò)展以形成長裂紋，由于裂紋擴(kuò)展、穿過取向不同層片團(tuán)的阻力差異很大，因而TiAl合金層片組織中形成長裂紋的阻力也是隨機(jī)的。以上兩方面都可能是導(dǎo)致TiAl合金層片組織葉片疲勞壽命波動幅度較大的原因。

針對以上對葉片室溫條件下振動疲勞裂紋及壽命的分析，提出以下建議：

1）大部分葉片裂于葉盆側(cè)榫槽底部R角，主要是因為榫槽底部的應(yīng)力相對葉身大，為整個葉片的薄弱位置，考慮到材料的高脆性，建議在設(shè)計時，采取盡可能大的轉(zhuǎn)角R。

2）TiAl塑性和韌性較差，對缺口敏感，應(yīng)減少加工損傷，避免應(yīng)力集中，提高近表面的冶金質(zhì)量，避免冶金缺陷。

3）細(xì)化晶?？蓽p少高應(yīng)力位置出現(xiàn)粗大片層組織的幾率，避免長裂紋的產(chǎn)生，提高葉片的疲勞壽命，同時降低葉片疲勞壽命的分散性。

4 結(jié)論

1）在夾持榫頭室溫振動應(yīng)力試驗條件下，TiAl合金低壓渦輪葉片存在兩種斷裂位置：大多數(shù)葉片由榫槽底部高應(yīng)力截面斷裂，少量葉片由葉身鑄造缺陷處斷裂。

2）TiAl合金低壓渦輪葉片室溫振動疲勞壽命具有較大分散性，疲勞壽命主要取決于裂紋萌生階段的貢獻(xiàn)，試驗應(yīng)力水平下葉片粗大的片層組織的尺寸、數(shù)量和分布位置會顯著影響疲勞壽命，并增加疲勞壽命的分散性。

3）TiAl合金低壓渦輪葉片室溫疲勞具有較高的缺陷敏感性，葉身排氣邊亞表面存在尺寸約0.4 mm的 Al2O3、Y2O3鑄造夾渣，改變了葉片的斷裂位置和起源方式，形成了亞表面鑄造缺陷起源，并在源區(qū)附近出現(xiàn)了沿晶和光滑刻面斷裂特征，沿晶特征與等軸晶粒對應(yīng)。