[摘要]　對一種發動機導向器葉片的變形、裂紋及其斷口進行金相和電鏡分析。結果表明，發動機溫度場不均勻，出現局部高溫，致使導向器葉片產生過燒，造成變形和裂紋。

Analysis on Deformation ａnd Cracks of
an Engine Stage Ⅱ Nozzle Vanes

Liu Qingquan
（Xingyi Machinery Factory）

［Abstract］　The paper gives analysis to the tests on deformation cracks ａnd fracture of an engines nozzle vanes done by metallographic ａnd scan electromicroscope methods.The results show that the non-unibormity of engine temperature fields ａnd the partial high temperature lead to overheat of the nozzle vanes ａnd result in deformation ａnd cracks.
Keywordsoverheat　deformation　crack　superalloy　thermal stress

1　概述
　　某型發動機在工廠飛行兩個起落（約3h）后檢查，發現發動機二級導向器葉片的進氣邊變形和出現裂紋，后來又相繼發現14臺發動機出現類似故障。根據統計，故障葉片的位置均集中在1^＃，5^＃和31^＃上，其中以5^＃位置的葉片變形最為嚴重，出現的次數最多，有的變形量已達10mm以上，葉片變形后明顯彎曲，致使其小軸從結合環孔中抽出，葉片向后傾斜和二級渦輪葉片相磨。
　　本文取P7830141號發動機的5^＃葉片（該葉片的鑄造爐號為82D1324）進行理化分析，以便找出葉片變形和產生裂紋的原因。

2　試驗結果
2.1　外觀檢查
　　5^＃故障葉片外觀如圖1所示。在進氣邊葉盆面上有一條長為13.96mm的橫向主裂紋，距小安裝板為21.8mm，在主裂紋下方10.3mm處還有一條4.2mm長的小裂紋，在主裂紋兩側有明顯的皺紋，這種皺紋從進氣邊到排氣邊由寬變窄，并逐漸消逝，皺紋區呈灰白色。在主裂紋的附近，葉片向葉背方向彎曲和嚴重變形。
2.2　材質檢查
　　某型發動機二級導向器葉片用K403鎳基鑄造高溫合金精鑄而成，從故障葉片的4^＃位置（圖1）切取試樣，化學成分分析結果如下表所示。　

圖1　5^＃故障葉片（葉盆面）外觀形貌
Fig.1　Appearance of the failed 5^＃ vane （face）

　　由表1可知，除B元素比技術條件要求略低外，其他元素均符合技術要求。
Table 1　Chemical composition of the failed 5^＃ blade

表　5^＃故障葉片化學成分分析結果

圖2　主裂紋形貌及其組織　2×
Fig.2　Morphology of main crack in the failed vane

圖3　圖2的放大　9.2×
Fig.3　Higher magnification photograph showing the same crack from above figure

2.4　電鏡觀察
　　在葉身不同部位切取金相試樣，二次碳復型，用透射電鏡觀察故障葉片不同部位的高倍組織。
　　首先，沿葉身縱向分別在1^＃，2^＃和3^＃位置（詳見圖1）取樣，電鏡觀察結果如圖4。由圖4可見，1^＃位置靠近小安裝板外，距主裂紋22.3mm；2^＃位置靠近主裂紋下面的皺紋處；3^＃位置靠近大安裝板處，距主裂紋80mm。可知，1^＃位置γ′相及碳化物基本正常，但γ′相略有長大；2^＃位置γ′相全部溶解，在葉身冷卻時，又重新析出二次細小的γ′相，證明該處的溫度已超出K403合金γ′相完全溶解的溫度；3^＃位置γ′相和碳化物正常，因為此處靠近大安裝板，溫度較低。

圖4　沿故障葉片葉身縱向不同部位的組織　5000×
Fig.4　Micrographs of the failed vane in its different positions along a lingitudinal direction

　　其次，沿主裂紋擴展方向（葉身橫向）分九個部位觀察故障葉片的電鏡組織，每個部位的范圍約為1.75mm，觀察位置距裂紋的邊緣為0.8mm（如圖3中箭頭所示），觀察結果如圖5所示。由圖5可以看出，從進氣邊緣的第1部位至第4部位，γ′相完全溶解，空冷后又重新析出二次細小的γ′相，還殘留部分碳化物，可見，這些部位的實際工作溫度已超過K403合金的γ′相完全溶解溫度；從第5部位到第7部位組織形貌基本相同，一次γ′相大部分溶解，并析出二次細小的γ′相，殘留一小部分一次γ′相和碳化物，這些部位的實際工作溫度也相當高，已經接近γ′相完全溶解的溫度；第8至第9部位有少量的一次γ′相溶解，伴隨著二次γ′相析出。

（1）1～4部位　　　　　　　（2）5～7部位　　　　　　　（3）8～9部位
圖5　故障葉片沿葉身橫向不同部位的組織　5000×
Fig.5　Micrographs of the failed vane in its different positions along a transverse direction

2.5　模擬試驗
　　為確定K403合金γ′相完全溶解的溫度，特做了兩個模擬試驗：#p#分頁標題#e#
　　（1）對K403合金采用不同的加熱溫度，用金相、電鏡方法觀察γ′相形態，測得K403合金γ′相完全溶解的溫度為1210℃，如圖6所示。

圖6　K403合金1210℃加熱后電鏡組織　5000×
Fig.6　Electron micrograph of K403 alloy heated at 1210℃

　　（2）對K403合金在同一個加熱溫度（1250℃）下，采用不同的保溫時間，用金相、電鏡方法觀察γ′相的形態，測得K403合金在1250℃下，加熱3min足以使γ′相完全溶解，如圖7所示。

圖7　K403合金1250℃3min后的電鏡組織　6000×
Fig.7　Electron micrograph of K403 alloy
heated at 1210℃ for 3min

2.6　斷口分析
　　宏觀斷口如圖8。由圖8可見，裂紋起于進氣邊，裂紋擴展方向與進氣邊相垂直；斷口粗糙，高低不平；裂紋源區（進氣邊圓角R處）柱晶方向不明顯，晶粒細小，這可能與進氣邊表層出現初熔組織有關。整個斷口屬于沿晶斷裂。
　　碳二次復型和透射電鏡觀察，斷口源區沿晶斷裂形貌如圖9所示。

圖8　5^＃故障葉片的宏觀斷口　6×
Fig.8　Macro-fracture of the failed 5^＃ vane

圖9　5^＃故障葉片進氣邊斷口形貌　5000×
Fig.9　Fracture morphology of leading edge of the failed 5^＃ vane

3　討論
3.1　二級導向器葉片的工作溫度
　　二級導向器葉片材料為K403鎳基鑄造高溫合金，其正常工作溫度為950℃左右。試驗證明：進氣邊皺紋處γ′相完全溶解，金相組織發生變化，導致合金性能下降。模擬試驗測出K403合金γ′相完全溶解的溫度為1210℃，可見二級導向器葉片實際工作溫度遠超出正常工作溫度，高達1200℃以上。在這樣高的工作溫度下，合金的主要強化相γ′在幾分鐘之內便會完全溶解，合金產生過熱或過燒，強度和塑性急劇下降。前蘇聯資料報導，ЖС-6К鎳基鑄造高溫合金在1030℃時的持久強度比900℃時要下降1/3；高溫瞬時強度在1100℃時比900℃時要下降2/3。因此超溫過熱或過燒是導致二級導向器葉片變形和裂紋的主導因素。
3.2　二級導向器葉片的熱應力
　　在發動機正常工作狀態下，二級導向器葉片承受較小的振動應力和熱應力。當發動機溫度場不均勻時，葉片進氣邊局部區域承受1200℃以上的高溫，受熱部位急劇升溫，葉身的熱膨脹，一方面由于葉身受熱不均勻，在內部受到約束，另一方面在外部受到機匣和結合環的約束。在雙重約束力的作用下，熱膨脹受阻，于是在葉身內部產生極大的熱應力，當這種熱應力的水平超過材料的屈服強度時，葉身便產生塑性變形；當超過強度極限時，葉身便發生斷裂。可見，二級導向器葉片的變形和裂紋是熱應力作用的結果，而這種導致葉片變形和開裂的熱應力，主要來源于葉片進氣邊的超溫作用。

4　結論
　　（1）二級導向器葉片的材質符合技術條件的要求；在裂紋的起始部位和擴展區均未發現冶金缺陷；葉片的變形和裂紋與材質無關。#p#分頁標題#e#
　　（2）發動機溫度場不均勻，在固定部位（1^＃，5^＃，31^＃部位）出現局部高溫區，其最高熱點溫度大于1200℃，致使二級導向器葉片進氣邊產生過熱或過燒，造成葉片變形和裂紋。

5　建議
　　設計和使用部門從結構、燃燒系統、使用維護、調試等各方面，查明發動機強度場不均勻的原因，采取相應的改正措施。