肖文近，何 訓(xùn)，王其榮

(中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412002)

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K424高溫合金渦輪葉輪表面線性熒光顯示分析

肖文近，何 訓(xùn)，王其榮

(中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412002)

K424材料的渦輪葉輪經(jīng)熒光檢測(cè)，在輪盤中心孔及幅板面位置存在線性熒光顯示，通過(guò)外觀檢查、斷口分析、掃描電鏡觀察和金相分析，研究輪盤中心孔及幅板面熒光顯示部位缺陷的性質(zhì)及其產(chǎn)生的原因，結(jié)果表明：線性熒光顯示缺陷為沿碳化物開(kāi)裂的微裂紋，經(jīng)抽取同批次零件進(jìn)行進(jìn)一步分析，確定微裂紋為加工過(guò)程中產(chǎn)生，與加工進(jìn)刀量及原材料中的碳化物形態(tài)和分布等因素有關(guān)。

K424合金；線性熒光顯示；微裂紋；碳化物；顯微疏松

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種受嚴(yán)酷氣動(dòng)負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷和高溫負(fù)荷作用，又要求具有高耐久性的熱動(dòng)力機(jī)械[1]。K424鎳基鑄造高溫合金廣泛應(yīng)用于小型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子、整鑄導(dǎo)向器、渦輪葉輪等部件[2]，鑄造高溫合金材料的特點(diǎn)是高硬度、高強(qiáng)度、低導(dǎo)熱性、低塑性和高脆性[3]。發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉輪為了達(dá)到性能要求，采用精密鑄造工藝生產(chǎn)的高溫合金K424。此合金的機(jī)械加工特性符合金屬切削加工的一般原理和規(guī)律，同時(shí)也有自己的顯著特點(diǎn)，即切削力大、切削溫度高、加工硬化嚴(yán)重、化學(xué)親合力強(qiáng)，容易產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象、高硬質(zhì)點(diǎn)(碳化物)的摩擦作用、切削難于處理，在機(jī)械加工時(shí)產(chǎn)生大量的切削熱，使零件精加工時(shí)在硬質(zhì)點(diǎn)(碳化物)處理開(kāi)裂。但此材料通常采用成型機(jī)加技術(shù)進(jìn)行精密加工，來(lái)達(dá)到產(chǎn)品的精度和表面光潔度[4]。鑄造高溫合金由于合金凝固冷卻條件不同，MC碳化物的形態(tài)、大小和分布有很大的差異，當(dāng)碳化物粗大且呈草書(shū)體狀，易在草書(shū)體狀碳化物處造成應(yīng)力集中而開(kāi)裂[5]。國(guó)內(nèi)外對(duì)于Inconel718、Inconel901、GH536等合金的切削加工性有較多的研究[6-9]，但對(duì)K424合金的加工性研究較少，當(dāng)K424合金在進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，只要機(jī)加工不當(dāng)及碳化物的形態(tài)和分布不均勻，就容易產(chǎn)生裂紋等缺陷，導(dǎo)致零件報(bào)廢。

渦輪葉輪裝配到發(fā)動(dòng)機(jī)上使用6 h 2 min后分解檢查發(fā)現(xiàn)，其輪盤中心孔及幅板面存在線性熒光顯示，零件外觀見(jiàn)圖1，為分析線性熒光顯示形成原因，對(duì)其進(jìn)行分析，并確定裂紋的形成機(jī)理。

該零件加工工藝路線：毛坯→機(jī)加→動(dòng)平衡→機(jī)加→磨工→機(jī)加→靜平衡→機(jī)加→檢驗(yàn)→熒光檢測(cè)→鉗工→動(dòng)平衡→超轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)→機(jī)加→磨工→鉗工→熒光檢測(cè)→檢驗(yàn)。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 外觀檢查

該零件在熒光檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，輪盤中心孔及幅板面上存在多處裂紋，具體位置及形狀見(jiàn)圖2。

零件中心孔及其附近的幅板表面呈灰黑色，可見(jiàn)明顯的打磨痕跡(熒光顯示區(qū)域內(nèi))，其余部位呈光亮的金屬色，可見(jiàn)周向加工痕跡，較粗糙，零件熒光顯示部位經(jīng)放大鏡觀察，未見(jiàn)冶金類缺陷，在掃描電鏡下觀察，熒光顯示缺陷為多條沿徑向分布的長(zhǎng)為0.1～0.3 mm的裂紋，與加工方向垂直，呈不規(guī)則的彎折狀(圖3)。經(jīng)復(fù)查，該批次中未使用的零件同樣存在多條沿徑向分布的長(zhǎng)為0.1～0.3 mm的多條裂紋。

圖1 零件外觀

圖2 零件顯示位置及形狀

圖3 熒光顯示部位裂紋形貌

1.2 斷口分析

將裂紋拉開(kāi)后采用德國(guó)LEO1430VP型掃描電鏡進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋斷口表面呈淡黃色，深度約為30 μm，斷口微觀形貌呈過(guò)載斷裂特征，即為準(zhǔn)解理+韌窩特征，斷口形貌見(jiàn)圖4。

1.3 金相檢查

在熒光顯示部位及無(wú)熒光顯示部位取樣、制樣觀察，線性熒光顯示缺陷均為微裂紋，裂紋開(kāi)口較細(xì)，約為1 μm，裂紋深度為10～40 μm，裂紋內(nèi)未見(jiàn)氧化夾雜及其他冶金缺陷(圖5)?；w中有較多呈針狀、點(diǎn)狀的碳化物及少量塊狀碳化物，碳化物呈草書(shū)狀(圖6)。

經(jīng)腐蝕后觀察，裂紋為沿碳化物開(kāi)裂，裂紋兩側(cè)顯微組織與無(wú)裂紋部位顯微組織無(wú)明顯差異，均為正常組織，無(wú)過(guò)熱過(guò)燒現(xiàn)象(圖7)。

同批次未使用的零件經(jīng)剖切后觀察，裂紋形貌及顯微組織特征與故障件一致。

通過(guò)輪心取樣、腐蝕觀察，輪盤中心孔及其附近幅板部位晶粒尺寸為(0.5～2)mm×(5～15)mm，輪緣晶粒尺寸為0.5～2 mm，葉身表面晶粒尺寸小于0.5 mm。

1.4 成分分析

化學(xué)成分經(jīng)化學(xué)滴定定量分析，其結(jié)果符合YJ0255技術(shù)條件要求。

2 分析與討論

K424合金的主要組成相是γ固溶體、γ′相、γ+γ′共晶、MC碳化物。Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn及Fe等元素，在合金中均可與C作用形成碳化物，其中Ti、Zr、Nb、V是強(qiáng)碳化物元素，Mo、W、Cr是中碳化物元素[1]，K424合金中含有大量的Ti、Zr、Nb、Mo、W、Cr等強(qiáng)碳化物元素，較易形成碳化物。在鎳基合金中，碳化物易于在晶界或枝晶間析出[10-11]。

圖4 裂紋斷口宏觀形貌

圖5 裂紋形貌

圖6 碳化物形貌

圖7 裂紋兩側(cè)顯微組織

在零件的基體中有較多針狀+點(diǎn)狀+少量塊狀碳化物，碳化物呈草書(shū)狀，K424合金在不同的鑄造工藝條件下，由于合金凝固冷卻條件不同，MC碳化物的形態(tài)、大小和分布有很大的差異，當(dāng)澆注溫度或模殼溫度較高時(shí)，由于合金的凝固速率慢，碳化物適于生長(zhǎng)，尺寸粗大且呈草書(shū)體狀，枝晶間的分布不均勻，碳化物主要分布于枝晶間，以群團(tuán)形式出現(xiàn)，晶干上分布較少。隨著澆注溫度或模殼溫度的降低，碳化物由粗大草書(shū)狀逐漸向細(xì)小的粒狀、塊狀轉(zhuǎn)變，分布更加均勻、彌散[5]。由此可判斷該零件的澆注工藝不是最理想的狀態(tài)。碳化物硬而脆，當(dāng)MC碳化物為粗大的草書(shū)體狀時(shí)，易在草書(shū)體狀碳化物處造成應(yīng)力集中，裂紋易在其附近產(chǎn)生和擴(kuò)展。

目視觀察零件機(jī)加表面較粗糙，對(duì)機(jī)加表面熒光顯示部位剖切金相檢查，發(fā)現(xiàn)存在多條沿徑向分布的長(zhǎng)為0.1～0.3 mm裂紋，裂紋擴(kuò)展方向與加工方向垂直，呈不規(guī)則的彎折狀，其深度均為10～40 μm，其形貌與磨削裂紋很相近，但該零件機(jī)加表面非磨削加工，為車削加工。在車加工時(shí)，粗加工的軸向進(jìn)刀量為0.8 mm/r，徑向進(jìn)刀量為0.5 mm/r，車床的轉(zhuǎn)速約為80 r/min，精加工的軸向進(jìn)刀量為0.2 mm/r，徑向進(jìn)刀量為0.2 mm/r，車床的轉(zhuǎn)速約為80 r/min。分析認(rèn)為：該零件的切削深度和進(jìn)給量較大，變形抗力和摩擦力增大，因而切削力也隨之增大，當(dāng)切削線速率大于50 m/min時(shí)，隨著切削速度的增加，切削力減小[12-13]。由此可判斷該零件在機(jī)械加工時(shí)表面會(huì)產(chǎn)生較大的機(jī)械應(yīng)力；且由于鎳基高溫合金在機(jī)械加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，形成較大的機(jī)加應(yīng)力，同時(shí)其熱導(dǎo)率低，機(jī)加工產(chǎn)生的熱易集中在加工表面的薄層中，形成較高的機(jī)加溫度，在機(jī)加應(yīng)力及溫度的共同作用下，加上近表層草書(shū)狀的碳化物硬而脆，容易在其針狀碳化物邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中，并沿著碳化物開(kāi)裂。

3 改進(jìn)措施

1)建議改進(jìn)渦輪工作葉片的澆注工藝，改善零件中碳化物的分布及碳化物析出形態(tài)[5]。

2)優(yōu)化工藝，減少每道機(jī)械加工過(guò)程中的進(jìn)給量，檢查加工過(guò)程中的冷卻情況、刀具磨損情況，及時(shí)改善冷卻及更換刀具等與加工不利的因素。

4 結(jié)論

1)渦輪葉輪線性熒光顯示缺陷為機(jī)加工過(guò)程中產(chǎn)生的微裂紋。

2)渦輪葉輪機(jī)加過(guò)程出現(xiàn)裂紋與加工進(jìn)刀量及碳化物形態(tài)和分布有關(guān)。

[1] 孫鐵峰,劉建平,李明,等. 發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片榫頭熒光顯示分析[J]. 失效分析與預(yù)防,2009,4(2):118-121.

[2] 李俊濤,邵沖,李維,等. 鑄造工藝對(duì)K424合金渦輪組織和性能的影響[J]. 材料工程,2006(增刊1):297-299.

[3] 呂泉,王建新,趙喆. 鑄造高溫合金材料的加工方法研究[J]. 中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2011(24):89.

[4] 蘇旭峰. 高溫合金緩進(jìn)磨削燒傷機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào),2009,20(1):46-50.

[5] 吳廷寶,于興福,李波,等. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)用導(dǎo)向葉片葉片裂紋形成機(jī)制研究[J]. 鑄造,2013,62(2):156-158.

[6] Xu H H, Xu Q, Liu D. Experimental study on milling force of high-temperature alloy GH534[J]. Advanced Materials Research,2010,97-101:1929-1932.

[7] Chen Y C, Liao Y S. Study on wear mechanism in drilling of Inconel 718 Superalloy[J]. Journal of Materials Processing Technology,2003,140(1-3):269-273.

[8] Sharman A R C, Amarasinghe A, Ridgway K. Tool life and surface integrity aspects when drilling and hole making in Inconel 718[J]. Journal of Matericals Processing Technology,2008,200(1-3):424-432.

[9] Ezugwu E O, Lai C J. Failure modes and wear mechanisms of M35 high-speed steel drills when machining Inconel 901[J]. Journal of Materials Processing Technology,1995,49(3):295-312.

[10] 高原. 高溫合金生產(chǎn)新工藝技術(shù)與金相圖譜及常用數(shù)據(jù)速用速查手冊(cè)[M]. 北京:中國(guó)科技文化出版社,2006:8-142.

[11] 《高溫合金金相圖譜》編寫(xiě)組. 高溫合金金相圖譜[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社,1979:1-209.

[12] 楊叔子. 機(jī)械加工工藝師手冊(cè)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002:35.

[13] 劉超,艾興,劉戰(zhàn)強(qiáng),等. 車削高溫合金GH2132時(shí)切削力和表面粗糙度的建模與試驗(yàn)分析[J]. 工具技術(shù),2009,43(10):19-21.

Analysis on Linear Fluorescent Display of Turbine Impeller in an Aero-Engine

XIAO Wen-Jin，HE Xun，WANG Qi-Rong

(AECCSouthIndustaryCo.,Ltd.,HunanZhuzhou412002,China)

The 2th stage turbine impeller made of K424 superalloy was found to have linear fluorescent display. In order to find out the failure mode and cause, appearance observation, fracture surface analysis and microstructure examination were performed. The results show that the linear fluorescent display was caused by microcracks along carbides. Another part of the same batch was used for further analysis. It is found that the microcracks formed during the machining process, and they were related to the amount of feed during the machining process as well as the shape and distribution of carbides.

K424 superalloy; linear fluorescent display; microcrack, carbide; microporosity

2016年5月10日

2016年7月19日

肖文近(1978年-)，男，工程師，主要從事金屬材料物理冶金和失效分析等方面的研究。

V235.1

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.04.006

1673-6214(2016)04-0227-05