劉麗玉，楊憲鋒，張 兵，陶春虎，陳 星

(1.北京航空材料研究院 中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095；2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

從典型失效案例探討單晶葉片的工程失效問(wèn)題

劉麗玉1,2,3，楊憲鋒1,2,3，張 兵1,2,3，陶春虎1,2,3，陳 星1,2,3

(1.北京航空材料研究院 中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095；2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

通過(guò)對(duì)目前單晶葉片工程應(yīng)用中出現(xiàn)的由應(yīng)力集中以及缺陷引起的兩類典型失效問(wèn)題進(jìn)行討論，提出了目前單晶葉片工程應(yīng)用研究上解決這兩類失效問(wèn)題的途徑。分析認(rèn)為：?jiǎn)尉~片室溫振動(dòng)疲勞失效對(duì)應(yīng)力集中敏感，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要充分考慮應(yīng)力集中對(duì)振動(dòng)疲勞失效的影響，優(yōu)化單晶葉片室溫振動(dòng)疲勞方法，或建立合理可靠的高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)方法；再結(jié)晶和小角度晶界缺陷對(duì)單晶葉片的失效有著重要的影響，同時(shí)又制約著葉片的合格率，要從工程應(yīng)用的角度，通過(guò)優(yōu)化工藝和制定合理的缺陷檢測(cè)或控制標(biāo)準(zhǔn)，使得單晶葉片得到最優(yōu)的工程應(yīng)用。

單晶葉片；工程失效；應(yīng)力集中；冶金缺陷；振動(dòng)疲勞

0 引言

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的主要特點(diǎn)是提高渦輪前溫度，以有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，而渦輪前溫度的提高，其先決條件是必須提高渦輪葉片的承溫能力[1]。鎳基單晶高溫合金憑借著優(yōu)異的高溫性能廣泛應(yīng)用于先進(jìn)航空燃?xì)鉁u輪葉片[2]。單晶高溫合金是目前高推重比、高功重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪工作葉片優(yōu)先考慮選用的材料[3]，甚至可以說(shuō)單晶葉片是發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)程度的重要標(biāo)志，也是一個(gè)國(guó)家航空工業(yè)水平的顯著標(biāo)志[4-5]。單晶葉片工作條件極其惡劣，承受著復(fù)雜的氣動(dòng)、熱和機(jī)械載荷等，很容易出現(xiàn)失效，且失效原因也往往很復(fù)雜。此外，為進(jìn)一步提高葉片的承溫能力，往往采用復(fù)雜型腔空心的高效冷卻結(jié)構(gòu)，單晶高溫合金作為一種新型應(yīng)用的葉片材料，復(fù)雜結(jié)構(gòu)也將給工程應(yīng)用上帶來(lái)材料與工藝、結(jié)構(gòu)等匹配性問(wèn)題?，F(xiàn)階段對(duì)于單晶高溫合金的研究多限于制造工藝以及材料性能方面[6]，而對(duì)于工程失效問(wèn)題的研究則很少。發(fā)動(dòng)機(jī)的使用過(guò)程是綜合考核發(fā)動(dòng)機(jī)葉片實(shí)際質(zhì)量的過(guò)程，只有通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)使用，葉片設(shè)計(jì)水平、材料選擇、制造工藝、維護(hù)修理等方面的質(zhì)量問(wèn)題才能得以充分暴露。

本研究通過(guò)對(duì)目前單晶葉片工程應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)與結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中相關(guān)的葉片振動(dòng)疲勞問(wèn)題以及由冶金缺陷導(dǎo)致的葉片失效兩類典型失效問(wèn)題，探討了目前單晶葉片工程應(yīng)用普遍存在的一些問(wèn)題及解決途徑。

1 單晶葉片工程應(yīng)用過(guò)程中典型失效

1.1 應(yīng)力集中引起的葉片振動(dòng)疲勞

葉片振動(dòng)疲勞破壞是葉片工程應(yīng)用中最常見的一類失效。葉片振動(dòng)疲勞試驗(yàn)?zāi)M葉片的工作狀態(tài)，可以將葉片的設(shè)計(jì)因素、材料因素以及工藝因素結(jié)合起來(lái)，綜合考核葉片的使用性能，無(wú)論是葉片新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新材料選用還是新工藝應(yīng)用，都要考慮葉片的振動(dòng)疲勞問(wèn)題，且葉片振動(dòng)疲勞試驗(yàn)往往能暴露葉片最薄弱的方面。目前在很多型號(hào)單晶葉片的振動(dòng)疲勞考核試驗(yàn)中頻繁暴露出由應(yīng)力集中引起的疲勞破壞問(wèn)題。如空腔結(jié)構(gòu)的DZ125葉片室溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)裂紋位置在葉身進(jìn)氣邊位置(正常一彎振動(dòng)節(jié)線位置)，而相同葉片結(jié)構(gòu)的DD6單晶葉片室溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)裂紋位于榫頭伸根段(圖1)。

事實(shí)上，葉片振動(dòng)疲勞開裂的起源位置反映了葉片振動(dòng)應(yīng)力最大或者構(gòu)件疲勞抗力最薄弱的地方。圖1、圖2(榫頭內(nèi)腔結(jié)構(gòu))所示結(jié)構(gòu)下的葉片振動(dòng)疲勞試驗(yàn)時(shí)應(yīng)變片標(biāo)定的最大位置在葉根靠進(jìn)氣邊葉盆處的外表面，但DD6葉片實(shí)際裂紋起源位置不符合標(biāo)定最大應(yīng)力位置(相同結(jié)構(gòu)下的DZ125葉片符合葉片振動(dòng)疲勞典型破壞位置)。通過(guò)對(duì)DD6葉片振動(dòng)疲勞裂紋進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)DD6葉片榫齒裂紋起源的兩個(gè)位置分別位于葉片葉盆側(cè)伸根段內(nèi)腔轉(zhuǎn)角處和內(nèi)腔的焊接錐堵位置(圖3、圖4)，內(nèi)腔轉(zhuǎn)角處為直角結(jié)構(gòu)，錐堵為脫芯工藝殘留的焊接瘤，均為葉片內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中的位置，成為葉片振動(dòng)疲勞試驗(yàn)下的薄弱位置，導(dǎo)致了疲勞裂紋的萌生，并在振動(dòng)應(yīng)力作用下擴(kuò)展。

圖1 葉片裂紋位置及形貌

類似的單晶振動(dòng)疲勞問(wèn)題另一型結(jié)構(gòu)的渦輪葉片也出現(xiàn)過(guò)。葉片室溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)未達(dá)預(yù)定的循環(huán)周次便在葉片葉身位置出現(xiàn)裂紋。對(duì)于此型葉片，振動(dòng)疲勞裂紋雖出現(xiàn)在一彎振動(dòng)截面上(距葉根約1/3葉身高度范圍內(nèi)，見圖5)，但源區(qū)卻也是位于葉片葉身內(nèi)腔，與DZ125葉片振動(dòng)疲勞萌生位置或理論計(jì)算位置(外表面)不同(圖6)。失效分析結(jié)果表明，疲勞源區(qū)可見多個(gè)氣膜孔交錯(cuò)，分析認(rèn)為葉片打孔工藝控制不當(dāng)造成打傷葉片內(nèi)腔內(nèi)壁導(dǎo)致源區(qū)出現(xiàn)多個(gè)氣膜孔槽交錯(cuò)，造成此處應(yīng)力集中和壁厚偏薄等問(wèn)題導(dǎo)致了裂紋從此處萌生，在振動(dòng)應(yīng)力下擴(kuò)展。

圖2 內(nèi)腔結(jié)構(gòu)及源區(qū)對(duì)應(yīng)位置

圖3 轉(zhuǎn)接處的直角輪廓

圖4 源區(qū)焊接錐堵

1.2 冶金缺陷引起的單晶葉片失效

單晶葉片由于采用順序凝固工藝，相比于其他鑄造高溫合金，其顯微疏松出現(xiàn)的概率相對(duì)較少，且從目前的失效案例看，由于疏松、夾雜等冶金缺陷方面導(dǎo)致的故障案例還是比較少的。單晶高溫合金作為一種消除了晶界的特殊材料，相比于等軸晶材料，制造過(guò)程中產(chǎn)生的再結(jié)晶和小角度晶界成為了影響葉片失效的兩類重要的冶金缺陷。

圖5 裂紋位置及走向

1)再結(jié)晶引起的葉片失效。

在單晶應(yīng)用初期曾出現(xiàn)過(guò)AM3單晶葉片再結(jié)晶引起的葉片疲勞斷裂[7]。引起AM3單晶葉片疲勞斷裂的主要原因是葉片上存在大面積的再結(jié)晶缺陷(圖7)。DD6單晶近兩年也出現(xiàn)了再結(jié)晶引起的葉片疲勞斷裂問(wèn)題，如某型發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)試車24 h 23 min時(shí)出現(xiàn)的低壓渦輪工作葉片裂紋(圖8)。裂紋斷口呈現(xiàn)大的類解理刻面，微觀為河流或羽毛狀特征，屬于典型的疲勞失效[8]。疲勞裂紋萌生于葉片排氣窗間隔墻處，可見發(fā)亮的沿晶輪廓(圖9)。此外，在其他排氣窗間隔墻處微裂紋的金相試樣上也可看到微裂紋沿異常晶粒(再結(jié)晶)邊界產(chǎn)生的特征，異常晶粒之后還可見疲勞裂紋(圖10)。失效分析結(jié)果表明，葉片內(nèi)腔排氣窗間隔墻轉(zhuǎn)角處存在不允許出現(xiàn)的再結(jié)晶沿晶開裂，誘發(fā)葉片在振動(dòng)應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞擴(kuò)展。

圖6 裂紋打開斷口形貌

圖7 AM3單晶葉片斷裂失效

自定向高溫合金由于再結(jié)晶問(wèn)題導(dǎo)致的多起事故后[3]，定向與單晶合金的再結(jié)晶引起了廣泛的重視。不同類型高溫合金對(duì)再結(jié)晶影響的敏感程度為：?jiǎn)尉Ц邷睾辖?定向高溫合金>等軸高溫合金。單晶高溫合金不含或少含晶界強(qiáng)化元素，再結(jié)晶層形成的橫向晶界成為性能薄弱的區(qū)域[9]，因此相比于等軸晶和定向高溫合金，單晶高溫合金對(duì)再結(jié)晶敏感，一旦單晶在某區(qū)域發(fā)生再結(jié)晶，裂紋易在再結(jié)晶與基體之間的界面上萌生，并沿著晶界擴(kuò)展，并導(dǎo)致斷裂，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。許多研究表明，再結(jié)晶的存在嚴(yán)重影響單晶葉片的服役性能[10-12]，尤其是對(duì)高溫疲勞和持久性能影響大[13]。再結(jié)晶區(qū)幾乎無(wú)持久承載能力，某型定向凝固合金葉片裂紋從葉片排氣邊再結(jié)晶邊緣擴(kuò)展到裂紋長(zhǎng)度時(shí)的擴(kuò)展壽命占總循環(huán)數(shù)的69%～93%，即0.8～1.2 mm結(jié)晶區(qū)完全成為裂紋僅占?jí)勖?%～31%[14]，可知再結(jié)晶的存在顯著影響了材料的高溫持久和疲勞性能。葉片工作溫度越高，再結(jié)晶對(duì)其影響也越大，因此，目前在一些設(shè)計(jì)工作溫度很高的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)上，單晶渦輪葉片的關(guān)鍵部位要求十分苛刻，幾乎是不允許再結(jié)晶的存在。

圖8 裂紋位置及擴(kuò)展走向

2)小角晶界引起的葉片失效。

小角度晶界指晶界取向差小于10°的晶界，是單晶葉片中另一類典型的缺陷。小角度晶界會(huì)導(dǎo)致晶體變形不均勻，加速變形速率及蠕變裂紋的形成而成為孔洞和裂紋源，對(duì)單晶合金的高溫性能有一定的影響[15-16]，造成葉片提前失效。

圖9 裂紋斷口形貌

圖10 裂紋處金相

發(fā)動(dòng)機(jī)在場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行300 h長(zhǎng)試試車考核，當(dāng)長(zhǎng)試試驗(yàn)進(jìn)行到186 h時(shí)，DD6高壓渦輪葉片緣板處出現(xiàn)掉塊及裂紋(圖11)。葉片緣板掉塊及裂紋均位于葉盆側(cè)緣板位置，鋸齒狀擴(kuò)展，大致呈月牙形貌(圖12)；斷口呈現(xiàn)沿厚度方向的徑向“條紋”形貌(枝晶斷裂特征)，是一種典型的以持久斷裂為主的斷裂特征(圖13)。通過(guò)對(duì)葉片緣板裂紋處的小角晶界角度進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)裂紋處的小角度晶界均超出技術(shù)條件要求(緣板位置小角晶界要求不大于8°)，結(jié)果見表1。由于此型葉片安裝在渦輪盤榫槽中是靠?jī)扇~片伸根段間的阻尼塊進(jìn)行摩擦阻尼，工作過(guò)程中在離心作用下必將導(dǎo)致緣板受到阻尼塊由下往上擠壓應(yīng)力，而葉盆側(cè)緣板小角晶界超出技術(shù)條件要求造成的材料持久性能顯著下降，在阻尼塊的擠壓應(yīng)力作用下發(fā)生提前失效。

圖11 葉片緣板掉塊及裂紋形貌

表1 3個(gè)裂紋葉片小角晶界角度測(cè)量

不同于再結(jié)晶，在實(shí)際應(yīng)用中，單晶葉片是允許存在小于一定角度的小角度晶界[17]。因?yàn)樾〗嵌染Ы鐚?duì)合金不同性能的影響也不一樣。有研究表明，即便帶有9°小角度晶界對(duì)[001]取向的DD6合金的高周疲勞性能影響不大[18]，但帶有7.8°小角度晶界的DD6合金卻顯著降低了760 ℃/758 MPa和850 ℃/550 MPa下的高溫持久壽命，小角度晶界小于6°則對(duì)高溫持久壽命影響不大[19]，說(shuō)明小角度晶界的主要影響著葉片的持久性能，且隨著晶界角度的增大而增大，案例中超標(biāo)的小角度晶界造成了葉片持久壽命顯著下降，葉片提前出現(xiàn)持久失效。

圖12 掉塊及裂紋斷口形貌

圖13 小角晶界角度測(cè)量位置

2 分析與討論

通過(guò)上述單晶葉片的失效案例的分析，對(duì)單晶葉片的幾個(gè)工程應(yīng)用問(wèn)題及解決方向進(jìn)行初步探討。

2.1 單晶葉片振動(dòng)疲勞問(wèn)題及解決方向

葉片的振動(dòng)疲勞試驗(yàn)用于確定葉片在不同交變載荷下的疲勞壽命，或者確定葉片在規(guī)定壽命下的疲勞極限，目前廣泛用于一些發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片質(zhì)量考核、故障分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)。不僅可以將葉片設(shè)計(jì)因素、材料因素、工藝因素綜合起來(lái)一起考核葉片的使用性能，也可以將葉片最薄弱的地方充分暴露出來(lái)，這是保障發(fā)動(dòng)機(jī)葉片可靠性的一項(xiàng)重要工作。從目前發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用研究時(shí)出現(xiàn)的單晶葉片室溫振動(dòng)疲勞問(wèn)題，尤其是與同型結(jié)構(gòu)不同材料下的性能和失效情況對(duì)比結(jié)果看，單晶葉片室溫振動(dòng)疲勞存在2個(gè)問(wèn)題：1)裂紋起始位置與實(shí)際計(jì)算或貼片位置有很大的差異；2)室溫振動(dòng)疲勞極限不能代表服役溫度下的實(shí)際性能。解決單晶葉片的室溫振動(dòng)疲勞的這兩個(gè)問(wèn)題可以從以下2個(gè)方面進(jìn)行考慮：

1)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

案例中兩起單晶葉片的室溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)故障有幾個(gè)共性：1)葉片結(jié)構(gòu)均為空腔結(jié)構(gòu)；2)源區(qū)位置均在內(nèi)腔表面而非外表面，與其他材質(zhì)葉片典型的一彎振動(dòng)疲勞失效位置不同；3)源區(qū)存在應(yīng)力集中因素。葉片在一彎振動(dòng)應(yīng)力下的失效位置一般在葉片振動(dòng)應(yīng)力最大的截面，即葉片葉根，且往往在葉片外表面，但由于受葉片結(jié)構(gòu)(內(nèi)腔復(fù)雜結(jié)構(gòu))以及制造因素(內(nèi)腔表面完整性、冶金缺陷)的影響，往往會(huì)導(dǎo)致裂紋起源的位置出現(xiàn)改變，尤其是一些對(duì)缺口比較敏感的材料。目前鮮有對(duì)單晶高溫合金材料缺口振動(dòng)疲勞性能的研究，但通過(guò)對(duì)單晶高溫合金材料的性能數(shù)據(jù)可以看出，單晶高溫合金材料室溫屈服比高，屈強(qiáng)比較高意味著形變強(qiáng)化幅度相對(duì)較小，應(yīng)變硬化能力較低，一般來(lái)說(shuō)不利于這種反映材料綜合性能好壞的疲勞抗力的提高，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性是有影響的[20-21]。因此對(duì)于這樣的材料，在葉片設(shè)計(jì)上尤其是空腔結(jié)構(gòu)的葉片設(shè)計(jì)上要充分考慮應(yīng)力集中對(duì)葉片疲勞性能的影響，避免尖角、避免加工缺陷、表面完整性差等方面，從而減少應(yīng)力集中。

2)建立單晶高溫合金實(shí)際服役條件下的振動(dòng)疲勞方法。

目前單晶葉片振動(dòng)疲勞考核都是在常溫下進(jìn)行，即考核的是葉片的室溫振動(dòng)疲勞極限，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)單晶渦輪葉片工作在高溫環(huán)境下，利用的是其優(yōu)良的高溫性能，與室溫性能存在較大的差異。一些諸如應(yīng)力集中等因素影響可能也因溫度不同而存在差異。葉片的設(shè)計(jì)壽命取決于實(shí)際服役條件下葉片損傷大的部位(即考核部位)的壽命，因此以上兩個(gè)方面可能導(dǎo)致目前的單晶葉片振動(dòng)疲勞考核試驗(yàn)可能不能完全代表實(shí)際服役條件下的性能水平。目前在加溫狀態(tài)下對(duì)渦輪葉片進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，是有很大難度的。因此在單晶葉片振動(dòng)疲勞試驗(yàn)的研究上，要考慮試驗(yàn)和服役環(huán)境下的溫度差異，以保證室溫試驗(yàn)?zāi)芸煽靠己烁邷胤蹢l件下的設(shè)計(jì)要求；也可以突破現(xiàn)有高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)技術(shù)瓶頸建立合理可靠的高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)方法。這將對(duì)單晶渦輪葉片的定壽研究、排故分析有重要指導(dǎo)意義。

2.2 冶金缺陷問(wèn)題及解決方向

由再結(jié)晶和小角度晶界冶金缺陷誘發(fā)葉片提前失效的案例表明，超標(biāo)的再結(jié)晶和小角度晶界對(duì)葉片的服役安全性有著重要的影響；另一方面，冶金缺陷也制約著單晶葉片的合格率，是單晶葉片高額成本的主要原因[22-23]。單晶葉片成分設(shè)計(jì)和工藝控制復(fù)雜，且目前大都采用空心葉片，形狀極其復(fù)雜，存在壁厚突變及較大的橫向緣板等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)下要完全消除缺陷幾乎是不可能的[24]。小角度晶界相對(duì)于再結(jié)晶其有害程度較低，一般允許錯(cuò)配度<6°[25]，但對(duì)于許多單晶合金大葉片，錯(cuò)向控制在<6°也不是一件容易的事情。因此在解決冶金缺陷對(duì)單晶葉片失效問(wèn)題上可以從以下兩個(gè)方面入手：

1)從工藝角度上減少和避免缺陷。

葉片在研制和生產(chǎn)過(guò)程中由于凝固收縮應(yīng)力以及后期的一些表面鑄造定向凝固成形處理工序，會(huì)在葉片表面產(chǎn)生一定的塑性變形層，在高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中發(fā)生再結(jié)晶。小角度晶界則是由于在單晶葉片定向凝固過(guò)程中，溫度場(chǎng)、溶質(zhì)場(chǎng)以及溫度梯度場(chǎng)不穩(wěn)定，凝固過(guò)程中產(chǎn)生。這兩類冶金缺陷都與合金成分和葉片生產(chǎn)工藝相關(guān)，因此從這兩類缺陷的產(chǎn)生機(jī)理看，對(duì)于單晶葉片缺陷的控制，需要從工藝和合金成分的角度入手。如通過(guò)優(yōu)化現(xiàn)有的鑄造工藝，包括在生產(chǎn)中用液體金屬冷卻的高溫度梯度定向爐、高性能的殼模和型芯，采用特殊的表面處理工藝等來(lái)控制再結(jié)晶，通過(guò)改變抽拉速率和Re的含量等控制小角度晶界的產(chǎn)生[26]，盡可能將缺陷控制在可接受的水平。

2)制定經(jīng)濟(jì)可行的缺陷標(biāo)準(zhǔn)。

葉片產(chǎn)品技術(shù)條件是發(fā)動(dòng)機(jī)研制應(yīng)用中過(guò)程、產(chǎn)品檢驗(yàn)的依據(jù)，沒(méi)有完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)支撐就無(wú)法有效合理地對(duì)葉片產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。在型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)上，缺陷要求過(guò)松則會(huì)給葉片的服役安全帶來(lái)隱患；而缺陷過(guò)嚴(yán)要求不僅給工藝帶來(lái)困難，而且降低了葉片的合格率，從而造成不必要的浪費(fèi)。再結(jié)晶、小角度晶界是對(duì)單晶高溫合金失效影響大，因此在標(biāo)準(zhǔn)制定上不能等同普通鑄造高溫合金缺陷。目前，在國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)上對(duì)于這類缺陷的標(biāo)準(zhǔn)要求往往是參考國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)或國(guó)內(nèi)其他成熟發(fā)動(dòng)機(jī)，但不同發(fā)動(dòng)機(jī)葉片服役條件以及葉片結(jié)構(gòu)不一樣，對(duì)缺陷的控制要求也不一樣，而另一方面由于葉片工作過(guò)程中不同部位所承受的工作應(yīng)力和溫度均有差異，對(duì)缺陷的包容性也不一樣，因此可能會(huì)帶來(lái)標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)嚴(yán)或過(guò)寬的問(wèn)題。如案例中的對(duì)于靠緣板阻尼塊阻尼這類葉片結(jié)構(gòu)，本身緣板位置就承受了比普通結(jié)構(gòu)更大的擠壓應(yīng)力，參考其他發(fā)動(dòng)機(jī)小角度晶界不大于8°的要求可能存在一定的安全隱患(小角度晶界6～8°的葉片也出現(xiàn)裂紋)。單晶高溫合金在研制階段有學(xué)者開展了諸如再結(jié)晶、小角度晶界等缺陷對(duì)性能影響的一些研究，但目前卻僅限于科學(xué)研究，很少應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)上根據(jù)具體發(fā)動(dòng)機(jī)服役要求去探明這些缺陷對(duì)服役安全的影響程度，因而使得一些葉片的缺陷標(biāo)準(zhǔn)缺少依據(jù)或有待進(jìn)一步完善。因此解決單晶葉片再工程應(yīng)用上的冶金缺陷問(wèn)題還應(yīng)該從探明缺陷對(duì)力學(xué)性能的影響程度上入手，結(jié)合葉片在具體發(fā)動(dòng)機(jī)上的實(shí)際服役條件以及葉片各部位應(yīng)力和溫度大小差異，制定經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)條件和標(biāo)準(zhǔn)，這樣不僅使得葉片使用性能最大限度的發(fā)揮，又可保證服役的安全。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)目前單晶葉片工程應(yīng)用中出現(xiàn)的由于應(yīng)力集中以及冶金缺陷引起的兩類典型失效案例，探討了目前有關(guān)單晶葉片工程應(yīng)用中常見的振動(dòng)疲勞和冶金缺陷問(wèn)題及解決方向。分析認(rèn)為，單晶葉片振動(dòng)疲勞失效對(duì)應(yīng)力集中較為敏感，對(duì)于單晶葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尤其是復(fù)雜空心單晶葉片設(shè)計(jì)，要充分考慮應(yīng)力集中對(duì)葉片室溫振動(dòng)疲勞失效的影響，優(yōu)化單晶葉片室溫振動(dòng)疲勞方法，或建立合理可靠的高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)方法對(duì)葉片進(jìn)行高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)考核；單晶葉片中的再結(jié)晶和小角度晶界缺陷不僅對(duì)葉片的失效有著重要的影響，而且制約著單晶葉片的成本控制，因此，要從工程應(yīng)用的角度，一方面通過(guò)優(yōu)化成分和工藝，另一方面制定合理的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，從而保證了葉片的安全使用，同時(shí)又使得單晶葉片得到最大的優(yōu)化應(yīng)用。

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Engineering Failure of Single Crystal Blades Based on Failure Cases

LIU Li-yu1,2,3，YANG Xian-feng1,2,3，ZHANG Bing1,2,3，TAO Chun-hu1,2,3，CHEN Xing1,2,3

(1.AVICFailureAnalysisCenter,BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China; 2.BeijingKeyLaboratoryofAeronauticalMaterialsTestingandEvaluation,Beijing100095,China; 3.AviationKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonMaterialsTestingandEvaluation,Beijing100095,China)

Two main failure modes of single crystal blades caused by stress concentration and metallurgical defects were discussed, and then the solution to these failures were put forward. It is assumed that the room-temperature fatigue failure of single crystal blades is sensitive to stress concentration, so the effect of stress concentration on vibration fatigue failure of single crystal blades should be emphasized in design; room-temperature vibration fatigue testing methods should be optimized and proper high-temperature vibration testing methods should be established for single crystal blades. Recrystallization and small angle grain boundaries have a significant influence on the failure and pass percentage of single crystal blades. Optimal process and reasonable acceptance standards should be applied in engineering application.

single crystal blade; engineering failure; stress concentration; metallurgical defects; vibration fatigue

2016年7月15日

2016年9月15日

航空科學(xué)基金(2014ZF21014)

劉麗玉(1983年-)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事微觀物理和金屬損傷評(píng)價(jià)等方面的研究。

V232.4

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.05.012

1673-6214(2016)05-0327-08