K403合金高压导向叶片的组织及热疲劳机理分析_周中波.pdf

K403 合金高压导向叶片的组织及热疲劳机理分析周中波1，2，杨明波1，张建中2，韦皓博1(1.重庆理工大学 材料科学与工程学院，重庆 400054；2.重庆三耐科技有限责任公司，重庆 401135)摘要：为了加快验证新工艺制造的K403合金高压导向叶片的可靠性，采用热冲击试验模拟叶片实际服役环境，分析了热冲击前后叶片的微观组织及热疲劳裂纹的萌生及扩展机理。研究结果表明，高压导向叶片经过781次热冲击后，枝晶的二次枝晶间距明显增加，基体通道变宽，相含量由53%降低至45.1%。疲劳裂纹不仅从叶片表面应力集中部位萌生，叶身内部大块碳化物由于冷热循环作用而破裂也可形成裂纹源。疲劳裂纹扩展速率在热冲击中前期由于热应力得到释放从而逐渐减慢，在热冲击试验的中后期由于强化相逐渐减少，使得裂纹扩展阻力减少，裂纹扩展速率加快。关键词：K403合金；高压导向叶片；热冲击；组织；热疲劳裂纹中图分类号：TG132.3+2文献标识码：A文章编号：1000-8365(2023)03-0246-06Microstructure and Thermal Fatigue Mechanism of K403Alloy High Pressure Guide-VaneZHOU Zhongbo1,2,YANG Mingbo1,ZHANG Jianzhong2,WEI Haobo1(1.Materials Science and Engineering College,ChongqingUniversityof Technology,Chongqing400054,China;2.ChongqingSannai Technology Co.,Ltd.,Chongqing 401135,China)Abstract：To speed up the verification of the reliability of the K403 alloy high pressure guide vane manufactured by thenew process,a thermal shock test was used to simulate the actual service environment of the blade.The microstructure ofthe blade before and after thermal shock and the initiation and propagation mechanism of thermal fatigue cracks were alsoanalysed.The results show that the secondary dendrite spacing increases significantly,the-matrix becomes wider,and the phase content decreases from 53%to 45.1%.Fatigue cracks not only originate from the stress concentration part of theblade surface,but also form the source of cracks when the large carbides inside the blade body are ruptured due to theaction of cold and heat cycles.The fatigue crack growth rate gradually slows down due to the release of thermal stress inthe early stage of the thermal shock test,and the strengthening phase tends to decrease in the middle and late stages ofthe thermal shock test,which reduces the resistance to crack growth and accelerates the crack growth rate.Key words：K403 alloy;high pressure guide-vane;thermal shock;microstructure;thermal fatigue crack收稿日期:2022-12-10基金项目:重庆市技术创新与应用发展专项(cstc2019jscx-mbdxX0031，cstc2020jscx-msxmX0215)；微纳米材料工程与技术重庆市高校重点实验室开放基金(KFJJ2003)作者简介:周中波，1983年生，博士，高级工程师.研究方向：稀有金属材料及凝固成型研究.电话：02362563176,Email:通讯作者:杨明波，1971年生，博士，教授.研究方向：镁合金材料及其精确热成形技术研究.电话：02362563176,Email:引用格式:周中波，杨明波，张建中，等.K403合金高压导向叶片的组织及热疲劳机理分析J.铸造技术，2023,44(3):246-251.ZHOUZB,YANGMB,ZHANGJ Z,et al.Microstructureand thermal fatiguemechanism ofK403 alloyhigh pressureguide-vaneJ.FoundryTechnology,2023,44(3):246-251.航空发动机和燃气轮机的高压导向叶片以及涡轮叶片是将燃烧室中的高温高压气体的一部分能量转化为机械能的核心部件，以带动风扇和压气机高速转动。由于直接面对燃烧室的高温高压气体，高压涡轮及导向叶片承担着最高的燃气温度、频繁剧烈的热冲击、震动和燃气压力不稳定、流量脉动造成的高度非稳定负荷，是发动机中工作环境最恶劣的零部件1-2。高压导向及涡轮叶片制造工艺复杂，DOI：10.16410/j.issn1000-8365.2023.2352铸造技术FOUNDRY TECHNOLOGYVol.44 No.03Mar.2023246 一般采用精密铸造技术形成尺寸精度高、冶金质量好的毛坯，然后通过精密机械加工、表面处理等数十道工序才能进行装机使用，对工艺控制及质量要求极为严格3-6。新设计的叶片或者经过工艺改进的叶片往往需要大量的试验验证及装机考核才能最终装机，而装机考核是一个最重要的环节，这个环节的时间及经济成本十分高昂。热冲击试验可以最大限度地模拟叶片在涡轮发动机中的实际服役环境7-8，采用热冲击试验得到的如叶片热疲劳性能等试验数据可以用于评估叶片的使用性能，可以加速新设计及新工艺的验证进程。K403合金是一种钴含量较少的沉淀硬化型镍基高温合金，具有较高的高温强度及良好的铸造性能，广泛用于制造1 000 以下工作的涡轮导向叶片和900 以下工作的涡轮转子叶片9-11。然而，目前对于K403合金叶片使用后的组织性能变化方面的研究较少，特别是在频繁的热冲击下叶片裂纹的形成机理及生长动力学研究比较少12-14，不利于新叶片设计及新工艺验证，也不利于叶片的剩余寿命预测。本文通过热冲击试验最大限度的模拟K403合金高压导向叶片实际服役环境，研究叶片使用前后的组织演变特征，分析裂纹萌生机理及裂纹扩展动力学。1实验材料与方法实验用K403合金高压导向叶片组件由重庆三耐科技有限责任公司生产，所有叶片组件均为合格产品，检测叶片化学成分如表1所示。为提高叶片的高温耐腐蚀性能，将经过精密机械加工和装配焊接后的叶片组件进行化学气相沉积渗铝处理，渗铝温度960、保温时间6 h后随炉冷却。渗铝后的涂层组织致密，形貌规则，厚度较为均匀，整体涂层厚度分布在25.2934.19 m之间，如图1所示。热冲击试验在多功能试验器上进行，试验温度载荷采用梯形波循环。试验循环过程中燃气参数按照图2进行控制。图2中，Tg为高温状态燃气温度，Tc为通冷气的燃气温度，T0是低温状态燃气温度；t1指的是燃气升温时间，要求小于30s；t2和t4指的是燃气稳定时间，其中t2在6570 s之间，t4要求大于45 s；t3指的是燃气降温时间，要求小于25 s。叶片高温保持阶段燃气和冷气参数：燃气流量(0.950.1)Kg/s，燃气进口平均温度(1 27320)K，燃气进口最高温度1 373 K,上腔冷气流量(303)g/s，上腔冷气温度(71310)K，下腔冷气流量(483)g/s，下腔冷气温度(56310)K。叶片低温保持阶段燃气参数：燃气流量0.95 g/s，燃气进口平均温度(57310)K，燃气进口最高温度633 K。在热冲击试验前记录叶片表面状态，在总循环次数达到100次、200次、300次、400次、500次、600次、700次、781次后用510倍放大镜对叶片和渗层进行检查，记录渗层表面状况。在781次总循环后，采用线切割切取产生裂纹的部位进行裂纹及组织观察，对金相及扫描电镜观察的样品进行化学腐蚀，腐蚀剂成分为：100 mL HCl+20 g CuSO4+100 mL H2O，在ICX41M金相显微镜及Zeiss Gemini SEM 450扫描电子显微镜上观察高倍组织。2实验结果及讨论2.1 K403叶片热冲击试验后组织演变特征分析热冲击前后的K403合金高压导向叶片金相组图1 K403合金高压导向叶片渗铝层金相检测照片Fig.1 Metallographic inspection photo of the aluminized layerof the K403 alloy high pressure turbine guide-vane图2试验燃气温度自动循环曲线Fig.2 Automatic cycle curve of gas temperature during test表1 K403合金高压导向叶片化学成分Tab.1 Chemical composition of the K403 alloy high pressure turbine guide-vane元素CCrWMoTiCoAlB含量w/%0.1611.075.054.352.695.385.490.015元素SPSiCeZrMnFeSn含量w/%0.001 60.003 20.0740.001 40.0480.0240.0940.000 5铸造技术03/2023周中波，等：K403合金高压导向叶片的组织及热疲劳机理分析247 图4热冲击前后K403合金高压导向叶片相组成及形貌：(ab)热冲击前，(cd)781次热循环后Fig.4 Phase composition and morphology of the K403 alloy high pressure turbine guide-vane before and after thermal shock:(ab)before thermal shock,(cd)after 781 thermal cycles图3 K403合金高压导向叶片热冲击前后金相组织：(a)热冲击前，(b)781次热循环后Fig.3 Metallographic structure of the K403 alloy high pressure turbine guide-vane before and after thermal shock:(a)before thermalshock,(b)after 781 thermal cycles织如图3所示。图3(ab)均来源于叶片尾缘部位，从图中可以看出，该部位的晶粒呈等轴状，晶粒尺寸为180400 m，根据HB 20057铸造高温合金晶粒度评定方法，该部位晶粒度达到1级晶粒度。这是由于该部位叶片厚度为1.32.0 mm，本身冷却条件较好，而且在制壳的过程中在型壳表面添加了铝酸钴晶粒细化剂，使得铸件晶粒达到标准