基于中子衍射技術(shù)的渦輪后機(jī)匣內(nèi)部殘余應(yīng)力評估

王宇，耿長建，由寶財，師俊東，王剛

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽 110015）

0 引言

渦輪后機(jī)匣是發(fā)動機(jī)承力系統(tǒng)的一部分，用于支撐低壓轉(zhuǎn)子并連接低壓渦輪和尾噴管，構(gòu)成氣流通道的重要部分。后機(jī)匣為整體鑄造成型，內(nèi)環(huán)與外機(jī)匣徑向跨度大，在承受軸向力的同時還需滿足熱變形協(xié)調(diào)性和剛性的要求，一旦承力框架上產(chǎn)生裂紋，將對發(fā)動機(jī)工作安全性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。在工作載荷和殘余應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生的應(yīng)力集中是導(dǎo)致渦輪后機(jī)匣裂紋失效的主要原因。殘余應(yīng)力是指在沒有外加載荷和力矩的作用下，材料自身為保持平衡而存在的彈性應(yīng)力。目前，工程上使用的殘余應(yīng)力測量和評估方法主要有X衍射法、小孔法、散斑法、磁測法、超聲波法、中子衍射法等。其中，中子衍射法可以提供從表層以下100μm到幾厘米深度的應(yīng)力應(yīng)變信息而被廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì)80年代，Liu等在反應(yīng)堆中子源上開展了金屬材料織構(gòu)與殘余應(yīng)力測量研究，同時建立了專門應(yīng)力測量裝置；Coakley等利用散裂中子源VULCAN譜儀原位表征了鎳基單晶高溫合金CMSX-4的筏化；Huang等應(yīng)用中子衍射技術(shù)精確測定了René N4/N5、CMSX-4和PWA1484單晶高溫合金在不同溫度下/′錯配度；Preuss M等利用散裂中子源工程譜儀ENGIN-X原位揭示了鎳基高溫合金RR1000中相向′相載荷傳遞時對析出相尺寸/溫度的雙重依賴性；Rolph等利用德國FRM II中子源STRESSSPEC譜儀研究了不同方法獲得的值對熱處理后鎳基高溫合金RR1000殘余應(yīng)力的影響；Aba-Perea等利用中子衍射原位追蹤了Inconel 718合金在不同溫度時效/退火過程中殘余應(yīng)力的演化；Pierret等利用ENGIN-X譜儀及瑞士散裂中子源的NEUTRA譜儀獲得了鎳基高溫合金單晶渦輪葉片3個近似主應(yīng)力方向的殘余應(yīng)變分布；Tan等對激光噴丸后的鎳基高溫合金的表面殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究；Zhang等利用綿陽堆中子應(yīng)力分析譜儀研究了新型鎳基合金粉末渦輪盤在熱形變和熱處理過程中的3維殘余應(yīng)力場演化；Wu等利用中子衍射技術(shù)對單晶高溫合金的晶格畸變、錯配度和取向差等進(jìn)行了表征。

本文利用中子衍射技術(shù)在中國首次開展了某航空發(fā)動機(jī)渦輪后機(jī)匣殘余應(yīng)力測試分析。

1 渦輪后機(jī)匣內(nèi)部殘余應(yīng)力測試

中子衍射應(yīng)力譜儀如圖1所示。

圖1 中子衍射應(yīng)力譜儀

該中子應(yīng)力分析譜儀是中國惟一常態(tài)化運(yùn)行的反應(yīng)堆中子應(yīng)力譜儀。其主要性能參數(shù)十分突出，集中表現(xiàn)在：

（1）試驗可用中子波長在0.12～0.28 nm之間連續(xù)可選，以適應(yīng)不同的測量對象；

（2）譜儀分辨率高，最佳分辨率Δ/達(dá)到0.18%，應(yīng)變分辨Δ=±5×10；

（3）譜儀裝置樣品處最大中子注量率達(dá)到4.7×10n·cms；

（4）裝置具備大樣品承載能力，水平方向可實(shí)現(xiàn)的承載空間達(dá)到1000 mm×1500 mm，承載質(zhì)量達(dá)到500 kg。

中子衍射技術(shù)與X射線、小孔法等其它殘余應(yīng)力測試分析技術(shù)的對比如圖2所示。

圖2 中子衍射技術(shù)與其它殘余應(yīng)力測試技術(shù)對比

中子衍射測量應(yīng)力基本原理是通過測量晶面間距的變化來計算彈性應(yīng)變，從而計算出應(yīng)力場。當(dāng)波長為的單能中子束通過多晶材料樣品時，對應(yīng)晶面間距在滿足布拉格關(guān)系（=2sin）的位置出現(xiàn)衍射峰，通過測量晶面間距的改變-得到彈性應(yīng)變，然后根據(jù)應(yīng)變計算應(yīng)力。應(yīng)變與應(yīng)力為

式中：為原始晶面間距；為衍射角；Δ為衍射角變化值；σ為方向應(yīng)力；E為彈性模量；ε、ε、ε分別為、、方向應(yīng)變；為常數(shù)。

中子測量的待測體積是由1個衍射狹縫和入射狹縫相交的空間區(qū)域決定的。直接測量的平均體應(yīng)力易與有限元計算結(jié)果進(jìn)行比較。通過平移和轉(zhuǎn)動待測部件，使中子束中心與部件待測位置重合，得到不同位置的正應(yīng)變，并據(jù)此計算相應(yīng)位置的3向應(yīng)力。

后機(jī)匣的殘余應(yīng)力測試與其他常規(guī)工件殘相比有很大難度，一方面因機(jī)匣的體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，另一方面因K4169合金存在粗晶現(xiàn)象。上述困難的存在使得某些位置只能測試特定方向的晶面間距，且由于組織的不均勻性（部分位置大晶粒的存在）以及可能存在的成分偏析，造成不同部位的無應(yīng)力狀態(tài)晶面間距不同。因此不能使用統(tǒng)一的無應(yīng)力標(biāo)樣作為的測試標(biāo)樣，必須在機(jī)匣原件選定的位置測試完成之后，將其切割釋放應(yīng)力后重新定位，準(zhǔn)確尋回初始測試的位置進(jìn)行的標(biāo)定。

中子衍射測試殘余應(yīng)力方法如下：選定待測區(qū)域和待測晶面（311），規(guī)劃樣品的擺放以及衍射矢量方向；將機(jī)匣放置于測試臺面上并固定牢靠；通過調(diào)節(jié)樣品臺的//軸位移及樣品臺轉(zhuǎn)角，依靠經(jīng)緯儀與垂直激光或者鉛錘，將機(jī)匣待測位置大致定位；通過中子束掃邊準(zhǔn)確定位衍射位置，選定位置后進(jìn)行測試，獲得不同位置的晶面間距；將機(jī)匣切割，釋放應(yīng)力后重新通過上述方法定位，測試相同位置的殘余應(yīng)力。

通過對設(shè)備的精準(zhǔn)調(diào)試和專用工裝的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了K4169合金應(yīng)力測量精度≤20 MPa，最短單點(diǎn)測量時間≤5 min，1維空間分辨率≤1 mm。建立了高溫合金部件表層應(yīng)力梯度的中子測量與解析方法，限定入射束尺寸（沿深度方向為0.2 mm，另一方向為5 mm），沿深度方向以0.05 mm的步長掃描，利用近表面處衍射強(qiáng)度與質(zhì)心的關(guān)系對衍射信息進(jìn)行矯正，實(shí)現(xiàn)了具有0.1 mm 1維空間分辨率的應(yīng)力表征。

2 測試結(jié)果與分析

機(jī)匣原件與應(yīng)力釋放后的（311）晶面的2維面探原始數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3所示。從圖中可見，機(jī)匣中有大晶粒存在，形成了白亮的衍射斑點(diǎn)。圖3中第1行是機(jī)匣原件測試結(jié)果，第2、3行則為應(yīng)力釋放后的測試結(jié)果。通過大晶粒的對比可見（尤其是位置4和位置9），在應(yīng)力釋放后重新定位可以準(zhǔn)確得到原件測試位置，說明該方法定位非常準(zhǔn)確。

圖3 機(jī)匣原件與應(yīng)力釋放后的（311）晶面的2維面探原始數(shù)據(jù)

此外，以第1點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，將各點(diǎn)的衍射角度、衍射強(qiáng)度、半高寬相對各點(diǎn)的位置作圖，（如圖4所示）。從圖中可見，機(jī)匣原件與切割釋放應(yīng)力重新定位后的衍射角度、衍射強(qiáng)度、半高寬的變化趨勢符合性很好，同理驗證了定位的準(zhǔn)確性。

圖4 不同位置測試點(diǎn)的衍射角度、衍射強(qiáng)度、衍射峰半高寬

根據(jù)各點(diǎn)的衍射角度，利用布拉格方程計算出（311）晶面的晶面間距，結(jié)果如圖5所示。整體看來，在切割釋放應(yīng)力后，晶面間距減小，即＞，說明在衍射矢量方向上原件機(jī)匣存在拉應(yīng)變。較多的測試點(diǎn)能夠保證較好的統(tǒng)計性，可以用平均晶面間距來進(jìn)行分析，計算出釋放應(yīng)力后平均晶面間距為=1.0855 ?，機(jī)匣原件的平均晶面間距為=1.0864?，該方向的平均應(yīng)變約為800個微應(yīng)變。各測試點(diǎn)的應(yīng)變計算結(jié)果如圖6所示。

圖5 各測試點(diǎn)的晶面間距計算結(jié)果

圖6 各測試點(diǎn)的應(yīng)變計算結(jié)果

由于機(jī)匣體積大形狀復(fù)雜的原因，很難測試到主應(yīng)力（周向）方向，只能通過主應(yīng)力方向的泊松效應(yīng)即衍射矢量方向的拉應(yīng)變推算出主應(yīng)力（周向）方向受到壓應(yīng)力作用，其壓應(yīng)力大小為=-/，其中為材料的泊松比，為彈性模量。由于機(jī)匣中含有大晶粒，在定位過程中，角度上的微小偏差就會導(dǎo)致大晶粒的衍射峰位偏移，會與由殘余應(yīng)力產(chǎn)生的衍射峰位偏移疊加，這就是鑄態(tài)試樣測試定位要求非常準(zhǔn)確的原因。盡管在測試過程中盡量保證了定位的準(zhǔn)確性，按照一般的應(yīng)力分析方法將大晶粒部分與細(xì)晶部分不加區(qū)分得出的結(jié)果（圖6）還是有一定的偏差。為了得出更準(zhǔn)確的結(jié)果，將各點(diǎn)的細(xì)晶部分與大晶粒部分單獨(dú)計算，或者將只有背底噪聲信號的部分刪除后重新處理，結(jié)果見表1。

表1 各點(diǎn)的測試結(jié)果的性質(zhì)、衍射角、晶面間距及應(yīng)力應(yīng)變分析

計算出各點(diǎn)的殘余應(yīng)變和周向殘余應(yīng)力計算結(jié)果分別如圖7、8所示。結(jié)果表明，機(jī)匣存在平均300 MPa的周向壓應(yīng)力。

圖7 各測試點(diǎn)殘余應(yīng)變計算結(jié)果

圖8 各測試點(diǎn)周向殘余應(yīng)力計算結(jié)果

在切割機(jī)匣過程中發(fā)現(xiàn)，軸上存在較大的拉應(yīng)力，因此在支板上選取了6個點(diǎn)測試了晶面間距，機(jī)匣切割部分測試定位如圖9所示。

圖9 機(jī)匣切割部分測試定位

軸上各測試點(diǎn)衍射花樣如圖10所示。從圖中可見，此處有大晶粒存在。各測試點(diǎn)晶面間距計算結(jié)果如圖11所示。若不考慮成分偏析，且以在機(jī)匣外殼上進(jìn)行的中子測試的平均晶面間距作為，可見支板上的晶面間距均值偏小，即測試方向產(chǎn)生的是壓應(yīng)變。根據(jù)泊松效應(yīng)原理，假設(shè)主應(yīng)力方向為徑向（圖8），計算出該方向受到400～500 MPa的拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力在一定程度上加速了后機(jī)匣支板裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展。

圖10 軸上各測試點(diǎn)衍射花樣

圖11 各測試點(diǎn)晶面間距計算結(jié)果

3 結(jié)論

（1）實(shí)現(xiàn)了渦輪后機(jī)匣K4169合金應(yīng)力測量精度≤20 MPa，最短單點(diǎn)測量時間≤5 min，1維空間分辨率≤1 mm；

（2）建立了K4169合金部件表層應(yīng)力梯度的中子測量與解析方法，限定入射束尺寸（沿深度方向為0.2 mm，另一方向為5 mm），沿深度方向以0.05 mm的步長掃描；

（3）利用近表面處衍射強(qiáng)度與質(zhì)心的關(guān)系對衍射信息進(jìn)行矯正，實(shí)現(xiàn)了具有0.1 mm的1維空間分辨率的應(yīng)力表征能力；

（4）渦輪后機(jī)匣基體存在粗大晶粒組織，裂紋故障與粗晶/細(xì)晶組織殘余應(yīng)力分布差異有一定關(guān)系；

（5）后機(jī)匣外殼存在平均300 MPa的周向壓應(yīng)力，后機(jī)匣支板存在400～500 MPa的拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力在一定程度上加速了后機(jī)匣支板裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展。