Page 76 - 理化检验-物理分册2021年第一期

DOI : 10.11973 / lh jy -wl202101013

镍基单晶合金涡轮叶片开裂原因

石凤仙,孙智君,滕跃飞,曹 玮

( 中国航发商用航空发动机有限责任公司,上海 200241 )
摘 要: 某发动机高压涡轮叶片为镍基单晶合金叶片, 在室温下进行振动疲劳试验后发现叶片
开裂, 通过宏观观察、 金相检验和扫描电镜分析等方法对叶片开裂的原因进行了分析。结果表明:
进气边叶根和榫头伸根的开裂形式均为疲劳开裂; 进气边叶根气膜孔内壁存在多处小缺口及榫头
伸根亚表面存在疏松缺陷, 这些缺陷部位容易形成裂纹源, 促进了裂纹的萌生, 裂纹扩展后最终导
致开裂失效。
关键词: 涡轮叶片;气膜孔;疏松;应力集中;疲劳开裂

中图分类号: TG115 文献标志码: B 文章编号: 1001-4012 ( 2021 ) 01-0058-03

CauseofCrackin g onNickel-basedSin g leCr y stalAllo yTurbineBlade

SHIFen g xian , SUNZhi j un , TENGYuefei , CAO Wei

( AECCCommercialAircraftEn g ineCo. , Ltd. , Shan g hai200241 , China )

Abstract : Hi g hp ressureturbinebladeofanen g inecrackedismadeofnickelbasedsin g lecr y stalallo yblade ,

thebladeaftervibrationfati g uetestatroomtem p erature.Thecausesofcrackin gonbladewereanal y zedb ymeans

ofmacrosco p icobservation , metallo g ra p hicexaminationandscannin gelectron microsco p eanal y sis.Theresults

showthatthefati g uecrackin gofinletbladerootandbladerootstretchsectionwasfound.Therewereman ysmall

notchesintheinnerwallofairfilmholesofinletbladerootandtheloosedefectsonthesubsurfaceofbladeroot

stretchsection.Thedefectswereeas y toformcracksources , whichp romotedthecrackinitiation , andfinall y ledto

crackin g failureaftercrackp ro p a g ation.

Ke y words : turbineblade ; filmhole ; loose ; stressconcentration ; fati g uecrackin g
涡轮叶片作为航空发动机的关键部件, 长期服 为了获得镍基单晶合金涡轮叶片的疲劳极限和
役在高热冲击和复杂循环热应力的环境下 [ 1-2 ] , 其所 应力 - 寿命( S-N ) 曲线, 对某批次镍基单晶合金涡轮
用材料经历了从变形高温合金、 铸造等轴晶高温合 叶片进行振动疲劳试验, 试验后发现叶片发生了开
金、 定向柱晶高温合金到单晶高温合金的发展历程。 裂。为找到开裂的原因, 笔者对产生裂纹的叶片进
单晶高温合金因为没有晶界, 少含或不含晶界强化 行了一系列理化分析, 以期为优化单晶叶片的制造
元素, 初熔温度较高, 可进行较高温度的固溶 热处 工艺提供依据。
理, 从而能显著提高材料的高温力学性能。由于单
1 理化检验
晶高温合金具有良好的高温持久性能、 抗热疲劳性
能、 抗氧化性能以及抗腐蚀性能等, 在航空发动机及 1.1 宏观观察
燃气轮机上被广泛应用 [ 3 ] , 许多国家都把采用单晶 对开裂叶片进行宏观观察, 发现叶片进气边叶
高温合金叶片作为提高航空发动机力学性能的一个 根部位和榫头伸根部位存在裂纹。进气边叶根裂纹
重要措施 [ 4 ] 。 主要有两种, 一种先沿与主应力垂直方向扩展, 后沿
与叶片轴向呈 45° 角方向扩展, 长约 14mm , 裂纹位

置及宏观形貌如图1a ) 中标记1-1 所示; 另一种与叶
收稿日期: 2020-05-06

作者简介: 石凤仙( 1992- ), 女, 工程师, 主要从事金属材料失效 片轴向呈 45° 角贯穿至榫头伸根部位, 长约 11mm ,
裂纹位置及宏观形貌如图1a ) 中标记1-2 所示; 榫头
分析工作, 17301644420@163.com
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