K403合金铸造涡轮叶片热裂的研究

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1、K 403合金铸造涡轮叶片热裂的研究In ve s t iga t io n o n H o t C rack in g o f C a s t K 403 Sup e ra llo y T u rb in e B lade s郑运荣阮中慈 (北京航空材料研究院)Zh en g Y u n ro n gR u an Zho n gc i ( In st itu te o f A e ro n au t ica l M a te r ia ls, B e ijin g) 摘 要 研究表明, 热裂是在合金枝晶间液体处于不连通状态的温度与合金完全凝固温度范围内产生。铸造涡轮叶片热裂最常出现的部位是叶

2、冠与叶身或者榫根与叶身的连接段, 热裂在外貌上呈弯曲不规则形 状, 通常是不连续的, 常有几条裂纹沿枝晶间或晶界向相同的方向扩展。热裂严重区断口呈光滑的 “土豆” 状, 在热裂扩展区出现光滑区与撕裂区并存。降低合金初熔温度的微量合金化元素 ( 如 B , Z r ) 明显增加了 热裂的敏感性。关 键 词铸造涡轮叶片K 4 0 3 合金热裂 A bstra c t H o t c rack ing tak e s p lace in a tem p e ra tu re range du r ing so lid if ica t io n o f a llo y s , inw h ich t

3、h e liqu id o f in te rdend r ite s do e s no t in te rco nnec t and th e so lid if ica t io n o f a llo y s is com p le ted 1T h eho t c rack s o f ca st tu rb ine b lade s o f ten app ea r a t th e co nnec t ing po sit io n s be tw een top o f b lade s and a ir2 fo il o r be tw een roo t o f b lad

4、e s and a irfo il1T h e m o rp ho lo gy o f ho t c rack s is zigzag , ir regu la r and d isco n2 t inuo u s 1T h e seve ra l c rack s no rm a lly p ropo ga te a lo ng in te rdend r ite s o r g ra in bo unda r ie s a t th e sam e d i2 rec t io n 1T h e f rac tu re su rface in th e se r io u s ho t c

5、rack ing zo ne seem s to be sm oo th po ta to 2lik e sh ap e and th e co ex istence o f th e sm oo th zo ne and th e tea r ing reg io n app ea r s in th e p rop aga t ing zo ne o f ho t c rack2 ing 1T h e m ino r a llo y ing e lem en t s w h ich dec rea se th e inc ip ien t m e lt ing tem p e ra tu

6、re o f a llo y s , such a s B and Zr , enh ance sen sib ility o f ho t c rack ing o bv io u sly 1Keyword sca st tu rb in e b lade sK 4 0 3 sup e ra llo yho t c rak in g前 言1试 验 结 果3热裂是高温合金铸件常见的缺陷之一, 严重时占铸造涡轮叶片毛坯报废率达2 0 % 。有时热裂纹很小, 当荧 光渗透液灵敏度不高时会漏检, 造成隐患。薄壁涡轮叶 片产生热裂倾向比普通铸件更大, 因此探讨影响热裂的 冶金因素及防裂的工艺措施对发动

7、机的质量控制和保 证服役飞机的飞行安全均有现实意义。3 1 1 热 裂 纹 的 形 貌 特 征叶片最常出现热裂纹的地方是叶身的榫头的连接处。在靠近榫头处的进气缘和排气缘 ( 图1 a ) 或叶背榫头与叶身过渡 R 处 ( 图1 b ) 常可发现热裂纹。热裂纹沿枝晶间和晶间扩展 ( 图2 ) 。从 图 2 a 可 看出, K 4 0 3 叶片的热裂纹不连续, 呈跳跃式扩展。由于热裂往往是最后凝固区, 显微偏析较重,常形成大量 +试 验 方 法2共晶。当共晶反应结束后仍存在少量液相,易产生热本工作收集工厂生产的有热裂的铸造 K 4 0 3 起动器涡轮叶片, 用金相、扫描电镜和电子探针对热裂区及热

8、裂断口作显微组织分析, 以确定裂纹扩展路径和断口特 征。用等温凝固2淬火试验研究 K 4 0 3 合金不同凝固温度 下的固2液比例和枝晶间微液池的形貌, 用不填焊丝的 钨极氩弧焊 ( T IG ) 产生熔池并用快速凝固的方法来考 察合金的热裂倾向。裂。图3 是 K 4 0 3 合金热裂纹附近区域形成的大量 + 共晶。在凝固后期产生的热裂如果没有暴露于空气环境中, 则裂纹两 侧 没 有 贫 乏 现 象, 即 使 暴 露 于 空 气 环 境中, 如果内部 的 热 裂 不 与 大 气 沟 通, 也 没 有 贫 乏 现 象( 图3 ) 。但在生产条件下, 由于过早破真空, 使热裂暴露在1 2 0 0

9、以上的高温, 所以形成的热裂纹两侧有明显的贫 带 ( 图4 a ) , 甚至有严重的内氧化 ( 图4 b ) 。3 1 2 热 裂 纹 的 断 口 特 征用扫描电镜对热裂区的断口进行分析, 可看到类似 于铸造高温合金的过烧断口, 呈光滑的“土豆”状, 如 图5 , 这是枝晶间处于液膜连接时断口的主要特征。在 断口区还可看到少量毛糙区, 它是枝晶以固态连接后被起的, 疏松断口上可看到发达三维孔穴。撕 裂造成的( 图5 a 箭头所指区) ,离热裂断口区越远,“土豆”状越来越少, 撕裂的毛糙区越来越多( 图5 b ) 。与显微疏松断口特征不同的是, 热裂断口显示的枝晶较平滑, 侧枝不发达, 在断口上

10、很少看到有深度方向 的孔穴, 即热裂断口二维特征较显微疏松断口明显。这 是由于液膜接近二维分布特征决定的。显微疏松是由于 枝晶间失去毛细作用后各个弧立的微液池凝固收缩引图1 K 4 0 3 叶片热裂产生的部位: ( a ) 2 ; ( b ) 1 1 5 F ig 1 1 Po sit io n o f ho t c rack s in K 4 0 3 sup e ra llo y b lade s图2 K 4 0 3 叶片热裂纹的扩展特性:沿枝晶间 5 0 ; ( b ) 沿晶间 3 0 ( a )F ig 1 2 P rop aga t io n ch a rac te r ist ic

11、o f ho t c rack s in K 4 0 3 sup e ra llo y b lade s( a ) a lo ng in te rdend r ite s 5 0 ;( b ) a lo ng g ra in bo unda r ie s 3 0 在二维金相磨面上,对应于图5 a 区的裂纹是连续的,对应于图5 b 的裂纹是断续的。例如通过 A A 的金相磨面所得的裂纹类似于图2 a 呈断续分布。热裂断口在高倍下可以看到有氧化产物 ( 图5 b ) , 这 与图4 b 中裂纹两侧的贫 和内氧化是一致的。3 1 3 K 4 0 3 合 金 的 凝 固 特 性K 4 0 3 合 金

12、在 1 3 5 0 等 温 凝 固 时 整 个 合 金 处 于 液 态, 到1 3 4 0 时析出5 vo l % 的 初晶。在低于该温度时 枝晶增长很快, 到1 3 3 0 时已凝固6 6 vo l % , 淬火后枝晶 及枝晶间区的形貌如 图 6 a 所 示。等 温 温 度 为 1 2 9 0 时 枝晶间液体量为1 2 vo l % , 微液池保持良好的连通状态,在低于1 2 8 0 时, 大部分枝晶间微液池呈弧立状, 图6 b示 出 了 1 2 3 0 形 成 的 弧 立 液 池 的 形 貌。该 合 金 + 共 晶 析 出 温 度 为 1 2 1 0 , 在 此 温 度 下 仍 有图3热裂

13、沿 + 共晶富集区扩展5 0 0 F ig 1 3 P rop aga t io n o f ho t c rack s a lo ng( + ) r ich ed zo ne5 0 0 图4 热裂纹两侧的贫 带 ( a ) 和内氧化 ( b ) : ( a ) 2 0 0 ; ( b ) 5 0 0 F ig 1 4 dep le ted band s ( a ) and inne r o x ida t io n ( b ) in bo th side s o f ho t c rack s图5K 4 0 3 叶片热裂断口形貌: ( a )3 0 0 ;( b )5 0 0 F ig 1

14、5 F rac tu re su rface m o rp ho lo gy o f ho t c rack s in K 4 0 3 sup e ra llo y0 1 5 vo l % 液体分布于 + 共晶旁 ( 图6 c ) 。液体成分严重偏离合金成分, 其中 Z r 和M o 分别比合金成分高9 倍用定量金相技术测量凝固区单位面积的裂纹密度L 和条数 N , 结果如表1 所示。表中数据表明, 消除 Z r 以后大大降低了热裂的敏感性。和1 倍;而 W 和 A l 则 只 有 合 金 成 分 的 1 4 和 2 5。在对无 Z r 低 T i K 4 0 3 合金的等温凝固分析表明, 合

15、1 1 8 0 凝固时, 微液池和液膜仍然存在, 淬火时常沿晶金的液相线为1 3 6 5 , 枝晶间微液池不连通的温度为界产生裂纹( 图6 d ) ,合金完全凝固在1 1 3 0 。1 3 3 0 , 完 全 凝 固 温 度 为 1 2 7 0 , 凝 固 范 围 T 为根 据 等 温 凝 固 试 验, K 4 0 3 合 金 的 液 相 线 温 度 为1 3 4 5 , 枝晶间毛细管道“阻塞”温度为1 2 9 0 , 完全 凝固温度为1 1 3 0 , 所以, 凝固范围 T 为2 1 5 , 枝晶 间 毛 细 管 道 阻 塞 温 度 与 完 全 凝 固 温 度 间 隔 T 2 为1 6 0

16、。3 1 4 微 合 金 化 对 热 裂 的 影 响为了试验微量合金化调整的作用, 炼了一炉不含 Z r 而 T i 处 于 下 限 的 K 4 0 3 合 金。含 Z r 和 不 含 Z r 的 K 4 0 3 合金厚度为5mm 的板用钨极氩弧熔化并凝固, 比 较其结晶开裂的敏感性。从图7 荧光渗透探伤结果可以 看出, K 4 0 3 合金在凝固区形成很多结晶裂纹, 而无 Z r 的 K 4 0 3 合金则基本上消除了裂纹。9 5 , 比 K 4 0 3 合金缩小了1 2 0 。枝晶间毛细管道阻塞温度与完全凝固温度间隔 T 2 为6 0 , 比 K 4 0 3 合金缩小 了 1 0 0 ,

17、可 见 微 量 合 金 化 调 整 所 起 的 作 用 是 显 著的。表 1K 4 0 3 和 无 Z r K 4 0 3 合 金 凝 固 裂 纹 对 比T ab le 1 Com p a r iso n o f so lid if ied c rack s fo r K 4 0 3 a llo y s w ith o r w itho u t Zr合金L (mm mm 2 )N ( 条mm 2)K 4030129401275无 Zr K 4030100801007这种刚性连接的枝晶骨架进一步降温时发生线收缩, 如果线收缩由于某种原因受阻, 则在铸件内部可能产生拉 应力, 当拉应力超过了该合金

18、在该温度的强度极限时就 会产生热裂。结 果 讨 论4合金凝固过程中, 在低于合金液相线3 0 5 0 温度范围内, 枝晶很快就形成彼此交连的骨架, 这时铸件整体上已具有固体性质,仅在枝晶间存在少量液体。当图6K 4 0 3 合金不同温度下的凝固组织( a )1 3 3 0 5 0 ;( b )1 2 3 0 1 0 0 0 ;( c )1 2 1 0 1 5 0 0 ;( d )1 1 8 0 5 0 0 F ig 1 6 So lid if ied m ic ro st ruc tu re o f K 4 0 3 a llo y a t d iffe ren t tem p e ra tu

19、re显著的影响。合金的成分, 特别是微量合金化元素和杂质元素同样会对热裂产生强烈影响。铸件的形状也是一 个重要影响因素, 薄壁长零件或者形状复杂、截面尺寸 多变的零件往往容易产生热裂。长期以来, 铸造工作者总是习惯于通过工艺参数调 整来减少热 裂, 但 是 这 种 工 艺 调 整 是 有 限 的, 多 年 以 来, 从事合金研究人员很少考虑合金的可铸性, 合金主 要以力学性能为主进行设计。实际上, 可铸性差的合金 很难通过工艺调整完全消除热裂。K 4 0 3 合 金 属 于 宽 凝 固间隔的合金, 凝固范围超过1 2 0 , 可铸性没有处于 最佳状态, 合金成分的微调都可获得良好的结果。7 0

20、 年图7 K 4 0 3 和无 Zr 的 K 4 0 3 合金凝固开裂比较( a ) K 4 0 3 合金; ( b ) 无 Zr 的 K 4 0 3 合金F ig 1 7 Com p a r iso n o f so lid if ied c rack sfo r K 4 0 3 a llo y s w ith Zr ( a ) o r w itho u t Zr ( b )代初, 苏联铸造工作者用成分与 K 4 0 3 相似的 6 在铸件生产中, 铸造工艺参数如铸造温度、 模温、合金铸造带叶片的整体涡轮盘时, 发现每个铸件的大部低 于0 1 0 3 % 时, 就克服了热裂纹倾向1 。定向

21、K 4 0 3 合相间共存, 撕裂的粗糙区相应于枝晶的固态连接区。金空心涡轮叶片试生产也证实,热裂2 。消除 Z r 有效地克服了( 3 ) 热裂是在枝晶间液体处在不连通状态的温度与合金完全凝固的温度范围 T 2 产生的。对 K 4 0 3 合 金Z r 的这种作用与 Z r 在合金中的分布特性有关。Z r在 相中的溶解度很低, 在凝固时 Z r 几乎不进入枝晶 干区, 它全部偏析于枝晶间的狭窄区域, 以富 Z r 相形式 存在。以前的工作3 证明, 铸造镍基高温合金中即使含0 1 1 % Z r , 也会形成微量 N i5 Z r 相。Z r 也是 形成元素,它促进 ( + ) 共晶生成。实

22、际上最终凝固的微液池是为1 2 9 0 1 1 3 0 。( 4 ) K 4 0 3 合金形成热裂, 主要是存在富 Z r 液膜使 T 2 变宽, 除去 K 4 0 3 中的 Z r 使合金的抗热裂性能大大提高。参 考 文 献多组分的共晶液,直保持到1 1 3 0 ,晶的接合强度。从1 2 9 0 枝晶间毛细管道不连通一在很宽范围内液膜的存在降低了枝H 1X 1 , 1 1 1 ,1 9 7 2 , 2 , C T 1 3 1孙伟琪等1 航空材料, 1 9 8 4 , ( 3 ) : 1123蔡玉林, 郑运荣编著1 高温合金的金相研究, 北京: 国防工结 论5业出版社, 1 9 8 6 , 1

23、 1 9( 1 ) 叶片的热裂常发生在时冠与叶身或榫根与叶身的连接段。热裂在外貌上呈弯曲不规则形状, 通常是 不连续的, 常有几条裂纹沿大体上相同的方向扩展并分 叉。( 2 ) 热裂严重断口呈光滑的“土豆”状, 对应于枝 晶间液膜连接区, 热裂扩展区的断口呈光滑区与撕裂区稿件收到日期: 1 9 9 8 1 6郑运荣, 男, 1 9 4 1 年9 月出生, 研究员, 长期从事金属材料微观结构分析工作, 现任北京航空材料研究院科技委副主任。联系地址:北京8 1 信箱5 4 分箱 ( 邮编1 0 0 0 9 5 ) 。333333333333333333333333333333333( 上接第2 9

24、 页)界限较分明。( 2 ) 焊接后涂层与基体的交界面变宽, 界限模糊( 3 ) 焊接后热影响区及其附近的涂层内气孔减少,涂层与基体结合情况改善。( 4 ) 离热影响区稍远的区域, 裂纹增多, 管线容易在这里脱瓷, 导致耐蚀性降低。参 考 文 献1熊惟皓等.T i ( C , N )基金属陶瓷的相界面过渡层, 金属学报, 1 9 9 6 , 1 0张国军等. 颗粒增韧陶瓷裂纹扩展微观过程, 硅酸盐学报,1 9 9 5 , 42图5 焊后搪瓷层离热影响区稍远的区域裂纹增多 ( SEM )F ig. 5 T h e m iic ro 2c rack s inc rea sed in th e zo ne fa r f rom HA Z ( SEM )稿件收到日期: 1 9 9 8. 6. 6结 论( 1 ) 焊接前涂层内有大量的气孔和微裂纹, 与基体4王维东, 男, 1 9 6 2 年出生, 讲师. 联系地址: 山东东营市石油大学机械系焊接室 ( 2 5 7 0 6 2 ) 。