0. 引言

渦輪葉片是航空發動機的關鍵組成部分,由于長期服役于高溫、高壓等惡劣工況[1],其材料的組織會不可避免地發生損傷和退化,從而影響發動機的性能和運行安全。研究渦輪葉片在服役后的顯微組織損傷,對于理解和評估其工作狀態、預測使用壽命以及優化材料設計和制造工藝具有重要意義。

近年來,國內外關于航空發動機渦輪葉片服役后的組織損傷已有大量研究[2-5]。馮強等[3]概述了渦輪葉片的主要組織損傷類型,探討了這些損傷與性能下降之間的關系,提出了定量化研究兩者關系的框架。MAZUR等[4]研究發現,溫度與載荷的共同作用會導致燃氣輪機I級渦輪葉片組織中的γ´相粗化,并伴隨筏狀結構的形成和團聚。JAHANGIRI等[5]研究發現,長期服役后析出相的變化是導致渦輪葉片力學性能降低的關鍵因素。然而,目前通過顯微組織損傷情況來評估葉片損傷分布的研究仍較少。

鎳基單晶高溫合金具有優異的耐高溫腐蝕性能和抗蠕變性能,能夠在極端高溫和高應力的環境下保持結構的穩定性,且具有較長的服役壽命[6],是制造渦輪葉片的優選材料。鎳基單晶高溫合金的顯微組織通常由基體相（γ相）和強化相（γ´相）組成[7],體積分數在60%~75%的γ´相能夠有效發揮強化作用[8]。但是,γ´相的粗化和筏化是鎳基單晶高溫合金渦輪葉片服役時的主要損傷模式[9],因此針對γ´相的退化進行定量評估以表征葉片的損傷程度[10],對確保渦輪葉片的安全運行具有重要意義。

作者以服役后的鎳基單晶高溫合金渦輪葉片為研究對象,采用定量顯微組織分析方法,精確測算了葉片的γ´相面積分數和γ相通道寬度等,分析了葉片不同高度不同位置的顯微組織損傷,并結合硬度測定,探討了顯微組織與材料性能之間的關系。這種定量化分析彌補了傳統顯微技術的不足,更全面地揭示了渦輪葉片在極端工況下的微觀結構損傷,可為優化渦輪葉片設計和選材、提高發動機運行效率和壽命提供參考。

1. 試樣制備與試驗方法

試樣取自服役一定時間后的某型號波音飛機發動機高壓渦輪葉片,葉片材料為第二代鎳基單晶高溫合金。采用XRF-1800型X射線熒光分析儀對合金的化學成分進行測定,結果見表1。

在渦輪葉片的榫頭、葉根、49%葉高、60%葉高和85%葉高處取橫截面試樣,以分析葉片在不同應力和溫度條件下的性能,取樣高度及不同高度處葉片取樣位置如圖1所示。葉片葉根部位承受較大的離心載荷和振動,是研究葉片固定方式及其耐久性的重要部位；葉身中部（49%和60%葉高）為葉片承受載荷的主要區域,位于葉片的工作負荷中心,承受著較高的應力以及較為穩定的氣流速度；85%葉高部位的氣流速度相比葉身中部更快,而由于冷卻系統設計,溫度并未達到極端高溫水平,應力和溫度相對處于較低水平,變化相對平穩,工作環境較為復雜；榫頭部位對葉片安全性和性能至關重要。

圖 1渦輪葉片取樣高度及不同葉高取樣位置示意

Figure 1.Schematic of sampling height (a) and sampling positions at different heights (b) of turbine blade

對試樣進行打磨和拋光處理,隨后用腐蝕液（由33mL HNO3+33mL CH3COOH+1mL HF+33mL H2O組成）腐蝕5~10s,采用MEF-3型光學顯微鏡（OM）和SUPRA 55型掃描電子顯微鏡（SEM）進行顯微組織觀察。在SEM圖像上選擇渦輪葉片不同區域的視圖,利用Image-J軟件和Origin軟件對渦輪葉片的顯微組織進行定量分析,統計γ´相面積分數以及γ相通道寬度,相同位置至少選取3張視圖。采用FM800型維氏硬度計測試橫截面顯微硬度,載荷為4.9N,保載時間為15s,測5個點取平均值。

2. 試驗結果與討論

2.1 服役后γ´相變化

由圖2可以看出：服役后的葉片不同高度不同位置均呈現出典型的[001]取向γ´相枝晶結構[3],這些枝晶呈“十”字花紋狀的排列模式,γ´相作為強化相存在于基體相γ相中形成了強化結構；不同葉高位置的前緣、葉背、葉盆和尾緣區域的枝晶數量和形態基本保持一致,未觀察到顯著差異。

圖 2服役后葉片不同高度前緣、葉背、葉盆和尾緣處的OM形貌

Figure 2.OM morphology of leading edge (a, e, i, m), blade back (b, f, j, n) , blade basin (c, g, k, o) and trailing edge (d, h, l, p) at different heights of blade after service: (a–d) blade root; (e–h) 49% blade height; (i–l) 60% blade height and (m–p) 85% blade height

由圖3可以看出,服役后的葉片榫頭處γ´相呈現出規則的立方形態,邊長約為0.5μm,均勻彌散地分布在基體γ相中。統計得到葉片榫頭處的γ´相面積分數約為72%,γ相通道寬度為0.155μm。結合文獻[11]分析可知,榫頭部位的服役溫度和應力相對較低,γ´相的形貌和尺寸變化較為有限。因此,榫頭部位的顯微組織特征可作為評估葉片其他位置組織損傷的基準。

圖 3服役后葉片榫頭的SEM形貌

Figure 3.SEM morphology of blade tenon after service

由圖4可以看出：與榫頭部位相比,服役后葉片葉根前緣區域的部分γ´相出現了連接和聚合現象,導致單個γ´相的面積相較于葉片榫頭部位有所增大,且部分γ相發生斷裂；葉背和葉盆區域的γ´相保持較為規整的結構,與榫頭部位相似；尾緣區域的γ´相表現出明顯的邊角鈍化現象,大多數γ´相的形狀由立方形轉變為長方體或球形,γ相通道發生斷裂并細化,通道寬度約為0.09μm,顯著小于前緣、葉背和葉盆區域以及榫頭部位。

圖 4服役后葉根處葉片不同區域的SEM形貌

Figure 4.SEM morphology at different areas of blade at blade root after service: (a) leading edge; (b) blade back; (c) blade basin and (d) trailing edge

在相同的服役時間下,服役溫度對材料微觀結構的損傷影響顯著。在相同高度處葉片的前緣和尾緣區域承受相對較高的服役溫度,因此γ´相的粗化現象更加嚴重,微觀結構的損傷程度也較大,但總體而言組織差異不是很大。此外,雖然葉根與榫頭部位的服役溫度均相對較低,但葉根部位可能會受到超速運行等工況條件的影響[12],會承受比榫頭部位更高的應力,使得γ´相和γ相與榫頭部位相比發生較為顯著的變化,尤其在前緣區域,γ´相出現明顯的粗化與聚合現象。

由圖5可以看出,49%葉高處葉片不同位置的γ´相表現出明顯的差異。葉盆區域的γ´相保持了較為規則的立方結構,與榫頭部位相比γ´相未發生過度粗化,未觀察到明顯的退化現象,說明該區域的γ´相組織較為穩定；葉背區域的γ´相粒子出現了邊角鈍化現象,并且部分粒子之間發生了連接,γ相通道寬度明顯變小,小于葉盆、前緣和尾緣等3個區域；前緣區域的γ´相相比于葉背區域發生了粗化,且相鄰粒子之間的通道大量消失,粒子之間出現了更廣泛的連接和聚合,導致γ´相的尺寸進一步增大；尾緣區域的組織退化程度最為嚴重,γ´相發生了聚集和連接,大部分γ相基體發生斷裂。

圖 5服役后49%葉高處葉片不同區域的SEM形貌

Figure 5.SEM morphology at different areas of blade at 49% blade height after service: (a) leading edge; (b) blade back; (c) blade basin and (d) trailing edge

在服役過程中,尾緣區域的γ´相退化最為顯著,這可能是因為相較于葉盆、葉背和前緣3個區域,該區域經歷了更極端的溫度和應力作用,導致了最嚴重的組織損傷；前緣區域的損傷程度次之,而葉背和葉盆區域則表現出相對較好的組織穩定性,這可能是因為這2個區域所承受的溫度和應力條件較為均勻或較低。

由圖6可見,服役后葉片60%葉高處的葉背和葉盆區域的γ´相組織與49%葉高處的葉盆區域相似,大多數γ´相保持了較為規則的立方形結構,γ´相未過度粗化,γ相通道出現了斷裂現象。在60%葉高處的葉背和葉盆區域,γ´相組織變化較小,退化現象不顯著。在60%葉高處,與葉背和葉盆區域相比,前緣和尾緣區域的γ´相表現出更為顯著的退化現象,不再呈現規則的立方形結構,而是表現出邊角鈍化的特征,呈現出長條狀、L型等不規則形態[13],并且γ´相顆粒趨向于連接和聚合。隨著γ´相顆粒的聚合和連接,γ´相數量減少,而獨立顆粒的數量有所增加。值得注意的是,在γ´相顆粒相連區域,基體γ相通道逐漸細化,最終消失；而在γ´相顆粒未相連區域,基體γ相通道則較寬,這一現象與高溫服役過程中γ´相的回溶行為相吻合。在高溫作用下,γ´相的回溶會導致γ´相顆粒的溶解與再結晶,從而促使顆粒形態發生改變,并進一步影響基體γ相通道的寬度；同時,由于高溫下γ´相的溶解度增加,部分γ´相粒子溶解,并在冷卻過程中重新析出,使得獨立顆粒數量增加,顆粒形態也變得更加不規則[14]。

圖 6服役后60%葉高處葉片不同區域的SEM形貌

Figure 6.SEM morphology at different areas of blade at 60% blade height after service: (a) leading edge; (b) blade back; (c) blade basin and (d) trailing edge

與49%葉高相比,60%葉高處的γ´相退化現象更加明顯,特別是在前緣和尾緣區域。49%葉高處盡管已有一些γ´相顆粒出現聚合趨勢,但γ´相顆粒的形態變化較為輕微,回溶現象尚不顯著。

由圖7可以看出：服役后85%葉高處的葉背和葉盆區域的γ´相仍保持較為規則的立方結構,組織變化較小,而前緣和尾緣區域的γ´相出現了不同程度的聚集現象,損傷較為嚴重。總體而言,85%葉高處葉片各區域的γ´相顆粒數量較多、分布較均勻,與榫頭部位的損傷差異沒有49%葉高和60%葉高處與榫頭部位的明顯。在葉根和85%葉高處,γ´相的變化表現出一定的相似性,γ´相顆粒的邊角特征均開始消失,且相鄰的γ´相顆粒呈現出聚合的趨勢,原本連續的γ相通道出現斷裂,形成明顯的短條狀結構。這些現象說明雖然這2個部位各區域的損傷程度較輕,但其微觀結構依然發生了明顯退化。

圖 7服役后85%葉高處葉片不同區域的SEM形貌

Figure 7.SEM morphology at different areas of blade at 85% blade height after service: (a) leading edge; (b) blade back; (c) blade basin and (d) trailing edge

綜上所述,渦輪葉片不同高度不同區域的損傷程度存在顯著差異。在相同葉片高度處,前緣和尾緣區域的組織損傷較葉背和葉盆區域更為嚴重,這種損傷的不均勻性暗示了渦輪葉片在實際服役過程中,不同區域受到的應力和溫度分布存在顯著差異。此外,不同葉片高度同一區域的組織損傷也存在差異,葉身中部（49%和60%葉高）的損傷更為嚴重,該部位前緣和尾緣區域的損傷尤甚。葉身中部近排氣邊區域（前緣和尾緣區域）通常為服役溫度最高的區域[15],因此前緣和尾緣區域的顯微組織退化最為嚴重；相比之下,葉背和葉盆區域雖然分別經歷了低溫高應力和高溫低應力工況,但是這兩種工況對γ´相演化的影響機制相似,因此γ´相形貌和尺寸保持較高的一致性[16]。

2.2 組織退化的定量表征

由圖8可以看出：60%葉高處葉片各區域的γ´相面積分數最高,85%葉高處的γ´相面積分數最低,其中85%葉高處的γ´相面積分數明顯低于60%葉高處的葉盆區域。

圖 8服役后不同葉高處葉片不同區域的γ´相面積分數

Figure 8.Area fractions of γ´ phase at different areas of blade at different blade heights after service

85%葉高處的整體溫度低于60%葉高處,并且85%葉高處的葉盆區域位于較低溫區域的高溫低應力區域,而60%葉高處的葉盆區域則處于較高溫度環境中。當溫度低于γ´相完全溶解的溫度時,隨著γ´相的粗化和生長,γ´相開始出現回溶現象；而當服役溫度升高,甚至超過γ´相的溶解溫度時,回溶現象將更加顯著。此外,在快速冷卻過程中,γ´相中的元素未能充分擴散進入基體固溶體中,這將導致γ´相面積分數明顯減少[17]。渦輪葉片的使用溫度范圍在900~1200°C[18],在不同葉高處產生的溫度差異可能導致γ´相發生不同程度的溶解與粗化。60%葉高位置處于較高溫度區域,較高的溫度促進了γ´相的回溶,導致其面積分數較高；而85%葉高處溫度相對較低,雖然沒有明顯的回溶現象,但由于溫度較低,γ´相的形貌保持較為規則,退化現象不顯著,尤其在葉盆區域,粗化效應較輕。

由圖9可以看出：葉根處葉片不同區域的γ相通道寬度均小于榫頭部位（0.155μm）,γ相的粗化程度較輕,這是因為葉根部位的服役溫度較低,導致γ相的粗化速率較慢；相比之下,49%與60%葉高處的前緣和尾緣區域的γ相通道寬度顯著大于榫頭部位,γ相顯著粗化,葉背和葉盆區域的γ相通道寬度接近于榫頭部位,γ相粗化程度較輕；85%葉高處葉片各區域的γ相通道寬度與榫頭部位相當或略小,γ相粗化程度較輕。這些結果與γ´相面積分數的結果一致。

圖 9服役后不同葉高處葉片不同區域的γ相通道寬度

Figure 9.γ phase channel width at different areas of blade at different blade heights after service

通過對γ相和γ´相的對比分析,發現當γ相通道寬度增大時,通常伴隨γ´相顆粒的粗化和數量的減少,尤其是在高溫區域（如49%和60%葉高處的前緣與尾緣）,可見γ相的粗化與γ´相的退化有顯著關聯。這一現象符合Ostwald熟化法則,即在高溫高壓環境下,為了減少界面能,較大的γ´相顆粒逐漸增大,而較小的顆粒則逐步溶解[19]。

2.3 服役后葉片顯微硬度

服役后葉片榫頭部位的顯微硬度為299HV。由圖10可以看出,葉根處以及49%,60%,85%葉高處葉片的平均顯微硬度分別為327,254,295,282HV。葉根部位的顯微組織相對穩定,γ´相顆粒形態規整,且未出現明顯的回溶現象,因此硬度較高；49%和85%葉高處的硬度下降與γ´相的回溶現象有關,γ´相回溶過程通常伴隨著γ´相顆粒尺寸的增大和數量的減少,從而導致組織退化和硬度下降[20-22]；60%葉高處的前緣和尾緣區域的γ´相也出現了回溶行為,但硬度下降程度沒有49%和85%葉高處顯著,這可能與該區域經歷γ´相回溶的時間較短以及其他局部因素（如應力和組織的初始狀態）有關。盡管γ´相發生了回溶,但溫度和應力條件的差異可能導致γ´相退化的速率不同,從而使得硬度變化的程度也有所不同。由圖10還可以看出：相同葉高處前緣和尾緣的硬度基本比葉盆和葉背低,在49%和60%葉高處,尾緣區域的硬度明顯低于葉背和葉盆區域；葉身中部（49%和60%葉高）葉背和葉盆區域的硬度變化與前緣和尾緣區域相比較小,這與這2個區域的γ´相形貌和尺寸較一致,γ´相顆粒形態較為規整,未出現過度粗化現象有關。

圖 10服役后不同葉高處葉片不同區域的顯微硬度

Figure 10.Microhardness at different areas of blade at different heights after service

結合圖8、圖9、圖10和顯微組織分析可知：85%葉高處葉片各區域的γ´相顆粒數量較多、分布較均勻,且基體γ相的粗化程度較輕,硬度相對較高；葉根部位的γ相通道寬度較小,γ相粗化程度較低,γ´相顆粒形態規整,硬度較高；49%和60%葉高處的顯微硬度與組織參數之間的關系呈現更為復雜的分布模式。在49%葉高處,前緣區域雖然γ´相和γ相均發生粗化,但硬度最高,而尾緣區域的γ´相發生了聚集和連接,γ相顯著粗化,硬度最低。在60%葉高處,前緣區域的γ´相明顯退化,γ相顯著粗化,硬度最低；葉背區域的γ´相組織退化不顯著,γ相粗化程度輕,硬度最高。顯微硬度的變化不僅與局部γ´相的形態和尺寸變化有關,還與局部溫度和應力分布密切相關[23]。總體而言,γ´相的變化對合金硬度的影響顯著：γ´相的回溶和顆粒粗化過程會使硬度下降,而在較低溫度區域或較低應力條件下,γ´相顆粒相對穩定,發生回溶和粗化的現象較少,硬度較高。

3. 結論

（1）服役后鎳基單晶高溫合金渦輪葉片相同高度處的前緣和尾緣區域由于承受更高的溫度和應力,其組織損傷程度較葉背和葉盆區域更顯著；在49%和60%葉高處的組織損傷最為嚴重,尤其在尾緣區域,γ´相的退化現象顯著,表現為其面積分數下降、顆粒邊角出現鈍化以及部分γ´相發生回溶。

（2）服役后渦輪葉片不同高度按平均顯微硬度大小由高到低排序,依次為葉根、榫頭、60%葉高、85%葉高和49%葉高；相同葉高處的前緣和尾緣區域的硬度基本比葉盆和葉背低,尤其是49%和60%葉高處,尾緣區域的硬度明顯低于葉背和葉盆區域。

（3）γ´相的回溶和顆粒粗化會導致鎳基單晶高溫合金硬度下降,而在較低溫度或較低應力條件下,γ´相顆粒相對穩定,回溶和粗化的現象較少,硬度較高。

文章來源——材料與測試網