范永升,楊曉光,*,石多奇,譚龍,黃渭清

1. 北京航空航天大學 能源與動力工程學院,北京 102206 2. 北京理工大學 機械與車輛學院,北京 100081

航空發(fā)動機渦輪葉片由于惡劣的服役環(huán)境,一般選材為定向凝固/單晶鎳基高溫合金。這類材料在微觀層面主要由立方體形貌的′相第二相強化粒子面心立方的相基體構(gòu)成。航空發(fā)動機不斷朝著長航時和高性能方向發(fā)展,如現(xiàn)役民用航空發(fā)動機PW4000規(guī)定高壓渦輪部件深度維修間隔已高達4 000個循環(huán)/16 000 h。軍用發(fā)動機由于復雜的飛行剖面導致大修間隔相比民用發(fā)動機較短,但仍舊要求在盡可能長的服役區(qū)間內(nèi)保證發(fā)動機的安全性。如此愈發(fā)嚴苛的服役環(huán)境導致渦輪葉片微觀′/兩相組織不可避免地產(chǎn)生各類微觀損傷,其中以′相的筏化,即′相的定向聚集和長大,尤為重要。一方面,筏化將大大降低合金的高溫力學性能,弱化葉片的承載能力,嚴重影響航空發(fā)動機的服役安全,造成重大事故；另一方面,渦輪葉片造價極其昂貴,如V2500發(fā)動機的全套時壽件價格截止2018年已經(jīng)高達384萬美元,輕易放棄受損的葉片將會使發(fā)動機的日常使用和維修成本變得極為高昂,造成巨大的經(jīng)濟損失。因此,精準掌握′相筏化對渦輪葉片破壞的影響規(guī)律,對合理安排航空發(fā)動機大修間隔、確定大修判廢標準就顯得極為重要。

在微觀層面來講,筏化是鎳基高溫合金內(nèi)部′相尺寸和形貌變化的復雜過程,受渦輪葉片服役溫度、時間、載荷和合金錯配度等多種因素的影響。由于定向凝固/單晶鎳基高溫合金的力學性能與其′相的尺寸、形貌和分布密切相關?！湎喾せ瘯斐珊辖鹄煨阅堋⑵趬勖腿渥儔勖娘@著降低,嚴重影響渦輪葉片的安全服役。此問題在中國尤為突出和嚴重,受設計和制造水平制約,發(fā)動機為了保持服役時的性能和推力經(jīng)常工作在設計的高限狀態(tài),短時大功率緊急狀態(tài)導致渦輪葉片局部溫度甚至超過1 100 ℃。因此,為了保證運行安全,工程上必須要有服役渦輪葉片的筏化判廢依據(jù)和評估服役葉片剩余安全壽命的能力。

目前渦輪葉片筏化普遍的判廢方法是對葉片指定部位進行切片并制備金相試樣,然后通過對微觀組織進行目視觀察,判定渦輪葉片報廢或者繼續(xù)服役。這種目視觀察的判定方法基于定性原則,缺乏定量化的筏化狀態(tài)表征參數(shù)。而要實現(xiàn)渦輪葉片壽命的精細化和科學化管理,對渦輪葉片微觀組織狀態(tài)的定量化表征是必不可少的。因此,如何對渦輪葉片的筏化狀態(tài)進行量化表征是渦輪葉片大修判廢的關鍵。近些年來由于計算機圖像處理技術的發(fā)展,許多數(shù)字圖像算法已經(jīng)廣泛應用于材料的微觀組織表征。NASA針對渦輪盤用高溫合金ME3內(nèi)部析出相的形狀因子和等效直徑等微觀參數(shù)進行了細致的統(tǒng)計分析。Kirka和Fullwood等針對CMSXS-4/8和CM247LC-DS高溫合金利用互相關算法對′相尺寸進行了統(tǒng)計提取,研究了′相的筏化演化規(guī)律。Caccuri等基于線段截距分布原理發(fā)展了一種單晶合金微觀參數(shù)提取方法。Yabansu和Gorgannejad等基于高斯回歸和主成分分析等數(shù)據(jù)處理算法將合金的熱處理條件與微觀組織形貌建立了量化關系。從上述的研究進展來看,應用數(shù)字圖像算法發(fā)展渦輪葉片筏化狀態(tài)的量化表征方法,將會為發(fā)動機大修時渦輪葉片判廢走向精細化和定量化提供有效途徑。

在結(jié)構(gòu)安全可靠性層面,限制渦輪葉片能否可持續(xù)服役的關鍵條件是渦輪葉片的強度和壽命儲備是否充足。筏化不可避免地造成渦輪葉片高溫力學性能的劣化,導致葉片剩余強度和壽命儲備的下降。因此,探明筏化狀態(tài)對渦輪葉片強度與壽命的劣化影響規(guī)律是確定渦輪葉片微觀組織筏化使用極限的前提。Wood對燃氣輪機熱端部件剩余壽命與維修成本的關系開展研究并指出：耐久性在熱端部件維修間隔的確定以及相應維修成本的預估過程中起到了舉足輕重的作用。耐久性的決定因素就是微觀組織退化對部件宏觀力學性能的影響。筏化對定向凝固/單晶鎳基合金力學性能的劣化作用已被普遍公認。國內(nèi)外針對筏化對合金高溫蠕變性能的影響已經(jīng)開展了大量的研究工作,發(fā)現(xiàn)筏化在蠕變早期就已經(jīng)完成,與之同時發(fā)生的粗化現(xiàn)象貫穿合金的整個服役周期。然而渦輪葉片的強度和壽命評估涉及持久和疲勞等多個層面,因此需要針對筏化引起力學性能的變化開展全面和系統(tǒng)評估。Sharghi-moshtaghin和Asgari對長時熱暴露IN-738L合金開展拉伸實驗,發(fā)現(xiàn)合金的拉伸性能隨著熱暴露時間的增加而降低。Ott和Mughrabi研究了筏化CMSX-4和CMSX-6單晶鎳基高溫合金的低循環(huán)疲勞性能,發(fā)現(xiàn)N型筏化導致合金基體通道相互聯(lián)通,促進了裂紋的快速擴展,顯著降低了合金的疲勞壽命。上述工作有益于認識筏化對渦輪葉片材料力學性能的劣化機理。然而,面向渦輪葉片的大修判廢,仍亟需探明和建立筏化狀態(tài)與渦輪葉片剩余強度和壽命儲備的量化映射關系。

針對航空發(fā)動機渦輪葉片在服役過程中出現(xiàn)的微觀組織筏化現(xiàn)象及其帶來的渦輪葉片大修判廢問題,發(fā)展了基于數(shù)字圖像算法的服役渦輪葉片′相筏化量化表征方法；隨后通過不同時間、應力和溫度的預處理獲得了不同微觀組織筏化狀態(tài)的渦輪葉片材料試樣并開展高溫疲勞實驗,根據(jù)疲勞壽命衰減的程度確定了渦輪葉片筏化的量化閾值。應用上述方法對某型航空發(fā)動機不同服役時長的高壓一級渦輪葉片進行微觀組織筏化特征的定量分析和判定,為渦輪葉片微觀組織筏化相關的大修間隔制定和判廢從高溫疲勞特性衰退的角度建立了一種行之有效的方法。

1 筏化的量化表征方法

1.1 渦輪葉片材料的微觀特征

標準熱處理狀態(tài)下,由定向凝固/單晶高溫合金制造的渦輪葉片在微觀上呈近似周期的′/兩相結(jié)構(gòu)。如圖1(a)所示,一般′相為立方體形貌,尺寸在300～600 nm之間,體積占比60%～70%。根據(jù)幾何的周期性,可以將這種兩相結(jié)構(gòu)抽象為空間均勻分布的三維結(jié)構(gòu),如圖1(b)所示?！?兩相組織的微結(jié)構(gòu)參數(shù)為：′相寬度、相寬度和周期相寬度。當合金處于標準熱處理狀態(tài)時,′相為規(guī)則的立方體結(jié)構(gòu),因此在3個晶體主方向上微結(jié)構(gòu)參數(shù)大小相同,即==≡,為標準熱處理狀態(tài)下相寬度。但是長時間在高溫和離心載荷下服役,葉片內(nèi)部沿特定晶體主方向上的相就會由于元素的定向擴散變窄最終消失,導致′相形成類似于竹節(jié)的筏排狀結(jié)構(gòu),如圖1(c)和圖1(d)所示。

圖1 不同γ′相形貌SEM圖和微結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.1 SEM images and microstructural parameters of different γ′ morphology

發(fā)展并介紹2種關于渦輪葉片材料微觀組織筏化的量化表征方法：一是基于圖像數(shù)字特征信息,利用圖像的互相關性對筏化的形貌和狀態(tài)進行識別；二是基于圖像的物理統(tǒng)計特征,通過對圖形局部特征的統(tǒng)計分析,得到葉片微觀組織的筏化狀態(tài)。需要注意的是,本文所提到的筏化,并不是單純′相形貌的變化,而是考慮到渦輪葉片整個服役周期中微觀組織的退化現(xiàn)象,同時包含了服役′相形貌筏化和高溫下尺寸變化的雙重作用。

1.2 基于互相關算法的筏化特征識別方法

對于一般材料而言,可以定義微觀變量的概率密度函數(shù)(,)來表示在空間點處檢出材料微結(jié)構(gòu)特征,如晶格取向、相尺寸和位錯密度等的概率。不難發(fā)現(xiàn),函數(shù)(,)滿足：

(1)

對于離散的材料微觀組織圖像有：

∑(,)==1

(2)

式中：為離散圖像的大小,即圖像像素數(shù)的總和；為微觀局部變量概率密度在整個圖像域中的占比。在圖像的特征提取中,往往需要所關注的特征具有一定的不變性,即圖像的特征不隨空間坐標的平移、旋轉(zhuǎn)、放大和縮小發(fā)生變化。因此,需要引入互相關函數(shù)賦予(,)不變性,離散形式的微觀組織兩點互相關函數(shù)可以表示為

(3)

式中：(,′|)為互相關概率密度函數(shù)；′為圖像偏移后微結(jié)構(gòu)特征；為微結(jié)構(gòu)特征的偏移量。不難發(fā)現(xiàn),(,′|)實為材料的微結(jié)構(gòu)特征概率密度函數(shù)(,)和(′,+)在空間域上的卷積。卷積運算保證了給定函數(shù)的空間變換正交不變性,使得圖像特征在空間變換后仍舊能夠被識別。在實際應用中,為了過濾高階噪聲,使得圖像相關性特征更加平滑、周期性更強、計算速度更快,可以對式(3)引入快速傅里葉變換進行快速計算：

(4)

式中：為FFT變換后互相關函數(shù)概率密度；和′分別為頻率域材料微結(jié)構(gòu)特征概率密度函數(shù)；為相位角。

利用互相關算法對鎳基合金的組織特征提取時,首先需要將合金的微觀SEM圖像進行二值化和灰度翻轉(zhuǎn)處理,得到2張灰度相反的二值圖像,見圖2。此時,(,)中就代表了圖像在指定位置的灰度值。應用式(4)對圖2(a)和圖2(b)進行互相關運算,就可以得到2張圖片的空間域分布相關性圖譜,如圖3(a)所示。

圖2 鎳基合金微觀結(jié)構(gòu)二值圖像和像素翻轉(zhuǎn)圖像Fig.2 Binary image of microstructure in Ni-based superalloy and its pixel flip image

在圖像的紋理分析中,相關性圖譜可以提供許多圖像的特征,如紋理形貌、平均尺寸、粗糙度和取向等信息。圖譜中心特征體現(xiàn)了沉淀相的形態(tài)、各向異性和取向特征,如圖3(a)所示。一般粗紋理的相關系數(shù)衰減要快于細紋理。鎳基合金中′相顯然屬于粗紋理特征,因此圖譜沿主方向相關系數(shù)的首次衰減距離(原點到第一個波谷的距離)就反映了′相粒子的平均間距,即′/兩相結(jié)構(gòu)中的周期相寬度,如圖3(b)所示。在渦輪葉片微觀組織特征提取時,利用上述方法對渦輪葉片微觀SEM圖像進行相關性分析,就可以根據(jù)圖譜中心特征判別′相的形貌信息,根據(jù)互相關概率密度在指定方向上的衰減曲線判斷微結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸的變化。

圖3 鎳基高溫合金微觀組織相關性分析結(jié)果Fig.3 Correlation processing results of microstructure of Ni-based superalloy

1.3 基于旋轉(zhuǎn)截距的筏化特征提取方法

基于互相關算法的筏化特征識別方法依賴合金微觀SEM圖像的整體數(shù)字信息特征。如果要對服役渦輪葉片的筏化狀態(tài)有更為細致和深入的認識,一些局部特征如′相寬度和相寬度也是必不可少的,因此就需要一種微觀局部特征的統(tǒng)計提取辦法。在單相組織特征旋轉(zhuǎn)截距提取算法的基礎上發(fā)展了適用于兩相微觀組織特征尺寸的提取方法,用以提取服役渦輪葉片微觀′相和相尺寸特征。

算法基本原理如圖4所示。對于給定的二值微觀SEM圖像,可以沿特定轉(zhuǎn)角設置不同的測試弦,沿測試弦方向進行′相邊緣節(jié)點檢測。此處定義2種節(jié)點類型：沿測試弦進入′相的節(jié)點為′相前節(jié)點,離開′相的節(jié)點為′相后節(jié)點。前后節(jié)點根據(jù)圖像像素值進行判定。定義()為位置處圖像的像素值,F為前節(jié)點坐標,B為后節(jié)點坐標。若像素值為1則代表該處顏色為白色,反之像素值為0則該處為黑色。′相在二值圖像中像素為黑色。沿測試弦根據(jù)相鄰位置像素值的不同可以判定得到′相的前后節(jié)點坐標矩陣。

圖4 旋轉(zhuǎn)截距法獲取鎳基高溫合金微觀組織參數(shù)示例Fig.4 Illustration of using rotation intercept method to obtain microstructural parameters of Ni-based superalloy

對′相前后節(jié)點矩陣進行逐次遞減運算就可以獲得不同下′相寬度和相寬度的數(shù)據(jù)集。以5°為角增量對測試弦進行旋轉(zhuǎn)并重復上述步驟,利用正態(tài)分布擬合取給定方向和的期望值。圖5和圖6給出了利用本文算法提取′相為立方體形貌和筏化形貌時某定向凝固鎳基高溫合金微結(jié)構(gòu)參數(shù)和的結(jié)果。

圖5 立方體形貌γ′/γ兩相組織參數(shù)提取結(jié)果Fig.5 Extraction results of microstructural parameters of γ′/γ two-phase structure with cubic morphology

圖6 完全筏化形貌γ′/γ兩相組織參數(shù)提取結(jié)果Fig.6 Extraction results of microstructural parameters of γ′/γ two-phase structure with completely rafting morphology

基于旋轉(zhuǎn)截距的筏化特征提取方法結(jié)果受微觀SEM圖像處理區(qū)域包含′相的數(shù)量和圖像分辨率等多個因素的影響。若選定區(qū)域內(nèi)′相數(shù)量過少,則會失去微觀組織的統(tǒng)計特征,提取結(jié)果會受少數(shù)′相的影響；若給定區(qū)域圖像分辨率過低,′相邊界就會在圖像二值化過程中漂移而無法準確識別,導致提取結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。一般標準熱處理狀態(tài)下單晶/定向凝固鎳基高溫合金中′相尺寸為300～600 nm,而在粗化和筏化過程中′相尺寸會逐漸增大,最大可超過1 000 nm。考慮到′相尺寸的變化,分析區(qū)域應盡可能地保留合金微觀組織的統(tǒng)計特征,SEM圖像放大倍數(shù)在6 000～10 000范圍內(nèi)較為合適。此外,也需要在金相試樣制備時選擇合理的拋光和腐蝕方法,保證分析區(qū)域內(nèi)的′相粒子清晰可識別。

需要指出的是,SEM圖像處理基于化學腐蝕,′相粒子二值化后為黑色,基體通道為白色。若采用電解腐蝕,則二值化后′相粒子二值化后為白色,此時需將二值圖像進行灰度翻轉(zhuǎn),以滿足算法要求。

1.4 筏化的量化表征

為了建立筏化狀態(tài)與渦輪葉片宏觀力學性能的定量關系,需要對葉片微觀組織的筏化狀態(tài)進行量化表征。筏化的量化表征參數(shù)有′相長寬比和特征寬度等。目前使用較為廣泛的是由Fedelich等提出的基于相寬度變化的表征方法,其主要思想是將筏化和粗化對相寬度的影響進行分離。在給定溫度下,若假設′相只發(fā)生粗化,相寬度可以表示為

=(1-13)

(5)

式中：為當前狀態(tài)下′相的體積分數(shù)；為當前狀態(tài)下′相寬度和通道相寬度之和。若只有筏化發(fā)生,相寬度可以表示為

=(1-)

(6)

無量綱筏化狀態(tài)參數(shù)可以表示為

(7)

式中：分子代表′相尺寸的變化,分母代表′相形貌的變化。取值范圍為0～1,0表示未發(fā)生筏化,1表示筏化已經(jīng)完成。需要注意的是,此處的均為發(fā)生筏化取向上的寬度取值。一旦筏化完成,式(7)的取值就會恒定為1；同時,若只有粗化現(xiàn)象發(fā)生而無形貌變化,式(7)的取值則恒為0。但是渦輪葉片在實際服役過程中的微觀組織退化同時包含了′相的粗化和筏化,而且在溫度較高的位置,筏化在服役早期就已經(jīng)完成,筏化完成之后各向同性粗化仍舊進行,導致力學性能持續(xù)惡化。若只考慮合金′相形貌的變化,即筏化作用,勢必對服役渦輪葉片的微觀組織退化評估不夠全面。因此,需要提出一個能夠同時考慮筏化和粗化作用的量化表征因子。因此,本文根據(jù)渦輪葉片服役過程中沿筏化方向相體積的相對變化量來對筏化和粗化的綜合作用進行量化表征：

(8)

式中：參數(shù)和可由合金微觀SEM圖像利用1.2節(jié)和1.3節(jié)的特征提取算法獲得。

2 筏化渦輪葉片材料的疲勞行為

2.1 試驗材料及筏化處理方案

以某型航空發(fā)動機高壓一級渦輪轉(zhuǎn)子葉片材料為研究對象,通過服役條件模擬預處理獲得了不同微觀組織筏化狀態(tài)的合金試樣,隨后開展疲勞試驗,通過量化筏化狀態(tài)與合金壽命的衰減規(guī)律確定該葉片服役微觀組織筏化的狀態(tài)閾值。該渦輪葉片材料為定向凝固鎳基高溫合金DZ125,試驗用熱處理制度與渦輪葉片一致。標準熱處理狀態(tài)下合金′相的體積分數(shù)為66.12%,寬度為0.384 μm。通道相的寬度為0.065 μm。

無載荷粗化預處理選取渦輪葉片典型工作溫度850 ℃和980 ℃,共設置4種粗化處理條件：① 850 ℃/300 h；② 980 ℃/300 h；③ 980 ℃/600 h；④ 980 ℃/1 000 h。粗化處理直接用標準熱處理下的DZ125合金鑄棒在箱式高溫爐中進行。因為′(相易在高溫低應力狀態(tài)下發(fā)生筏化,并且要防止試棒在筏化處理過程中斷裂。因此,選取筏化處理溫度為950、980和1 050 ℃,載荷范圍為50～125 MPa,保載時間范圍為30～100 h。共設置5種筏化處理條件：① 950 ℃/100 MPa/100 h；② 980 ℃/125 MPa/60 h；③ 1 050 ℃/50 MPa/30 h；④ 1 050 ℃/75 MPa/30 h；⑤ 1 050 ℃/100 MPa/30 h。不同粗化和筏化狀態(tài)下合金的微觀組織形貌如圖7和圖8所示。

圖7 不同粗化狀態(tài)下DZ125合金γ′相形貌Fig.7 Morphology of γ′ precipitates of superalloys DZ125 with different coarsening states

圖8 不同筏化狀態(tài)下DZ125合金γ′相形貌[29]Fig.8 Morphology of γ′ precipitates of superalloys DZ125 with different rafting states[29]

2.2 筏化狀態(tài)與葉片疲勞壽命的量化映射

疲勞試樣幾何尺寸見圖9,微觀組織預處理和疲勞實驗條件見表1。微觀組織粗化和筏化對DZ125合金低周疲勞壽命的影響見圖10?？梢园l(fā)現(xiàn)合金的疲勞壽命隨著筏化因子的增加不斷下降。當筏化程度為0.889 0時,其疲勞壽命中值由標準熱處理狀態(tài)的8 932降低為990,衰減超過85%。粗化合金的疲勞試驗也顯示出相同的規(guī)律。上述結(jié)果表明,微觀組織粗化和筏化會嚴重劣化DZ125合金的疲勞性能。根據(jù)筏化因子與剩余疲勞壽命的變化關系可建立經(jīng)驗關系式：

=18 077exp(-33)

(9)

式中：為合金的疲勞壽命。Krika等及Ott和Mughrabi在研究微觀組織退化鎳基高溫合金熱機械疲勞和等溫疲勞行為時發(fā)現(xiàn),′相粗化和筏化都會造成合金試樣疲勞壽命的顯著降低,這與微觀組織形貌的變化和′/兩相組織界面位錯網(wǎng)絡的變化相關。此外,從圖10可以發(fā)現(xiàn)當筏化因子大于0.4時,合金的疲勞壽命就會快速衰減,這表明0.4可能是服役渦輪葉片微觀組織筏化對疲勞性能劣化影響的閾值。

圖9 疲勞試樣幾何尺寸(單位：mm)Fig.9 Geometric dimensions of fatigue specimen (unit: mm)

表1 微觀組織預處理和疲勞實驗條件

圖10 無量綱筏化因子與DZ125合金疲勞壽命關系Fig.10 Relationship between dimensionless rafting parameter and fatigue life of superalloys DZ125

2.3 筏化渦輪葉片材料的疲勞失效行為

對不同筏化狀態(tài)試樣的疲勞失效機制進行分析發(fā)現(xiàn),微觀組織筏化并不會改變試樣裂紋萌生位置。本課題組在前期發(fā)展了服役渦輪葉片小尺寸試樣取樣技術,對不同服役時長的渦輪葉片進行了小尺寸試樣取樣并開展了高溫疲勞實驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：無論是服役葉片取樣試樣、筏化預處理試樣還是標準熱處理狀態(tài)下的合金試樣,高溫疲勞裂紋總是萌生于表面的氧化缺陷、近表面的碳化物和共晶或者鑄造缺陷處,如圖11所示。但是微觀組織筏化會顯著降低合金抵抗塑性變形的能力,試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)筏化試樣的屈服強度相比標準熱處理試樣會顯著降低,如圖12所示。這說明在循環(huán)加載過程中,筏化試樣會累積更多的塑性變形,導致試樣提前失效。此外,Ott和Mughrabi也指出與外載荷垂直筏化形貌加速了疲勞裂紋的擴展,也會造成過早的疲勞失效。

圖11 疲勞裂紋萌生[29-30]Fig.11 Fatigue rack initiation [29-30]

圖12 不同筏化狀態(tài)DZ125合金試樣循環(huán)變形曲線Fig.12 Cyclic deformation curves of superalloys DZ125 in different rafting states

3 某型服役渦輪葉片的筏化特征及判定

3.1 服役渦輪葉片的微觀組織觀察方案

根據(jù)文獻[34]中該型渦輪葉片的溫度和應力場分析可以發(fā)現(xiàn),葉片60%葉高前緣及77%葉高尾緣位置處溫度較高,微觀組織可能會嚴重退化。此外,葉根截面位置Mises應力較高,也需要重點關注。因此確定葉根、60%葉高、77%葉高和葉尖截面為渦輪葉片微觀組織觀察截面,如圖13(a)所示。每個截面繞葉型共選定6個觀察位置,如圖13(b)所示?？紤]到筏化方向的取向相關性,觀察方向垂直于葉片晶粒的生長方向。共選取3類服役時長的葉片進行微觀組織分析。需要說明的是,這3類葉片雖服役時間不同,但均為大修廠判廢封存葉片。本文重點討論由于服役歷程帶來的渦輪葉片微觀組織筏化的位置相關性,具體金相試樣制備和微觀組織觀察方法可參見文獻[30,33]。

圖13 服役渦輪葉片微觀組織觀察方案[30]Fig.13 Microstructure observation scheme of serviced turbine blades[30]

3.2 服役渦輪葉片的筏化特征量化分析

圖14給出了不同服役時長渦輪葉片前緣不同葉高截面處的′/兩相組織形貌。3種服役狀態(tài)下,葉片前緣60%葉高處′相筏化最為嚴重,77%葉高處次之。這是因為這2個位置服役溫度較高,導致筏化劇烈。葉根截面雖然承受的離心載荷較大,但是由于服役溫度較低,′相的筏化不明顯。圖15為應用1.2節(jié)中互相關算法對圖14中不同位置SEM圖片處理得到的相關性空間分布圖譜?？梢园l(fā)現(xiàn),伴隨著微觀組織的筏化,相關性圖譜中心圖案由標準熱處理的菱形開始朝著扁平的橢圓變化,且筏化越嚴重中心橢圓的長短軸之比越大。

圖14 不同服役時長渦輪葉片前緣微觀組織形貌[31]Fig.14 Microstructural morphology at leading edge of turbine blades after different service periods[31]

圖15 不同服役時長渦輪葉片前緣微觀組織相關性圖譜Fig.15 Microstructural correlation map at leading edge of turbine blades after different service periods

圖16給出了不同服役時長渦輪葉片60%葉高處6個觀察位置的微觀組織形貌。3類葉片除前緣外,葉背60%葉高處微觀組織退化也較為明顯。此外,1.0大修間隔的葉片在尾緣位置也觀察到了明顯的微觀組織筏化現(xiàn)象。但是1.5和2.0大修間隔的2類葉片在相同位置處′相形貌基本無變化,這可能與單臺發(fā)動機的服役歷程相關。應用1.3節(jié)中旋轉(zhuǎn)截距筏化特征提取算法對渦輪葉片不同位置處的′相寬度、′相寬度和周期相寬度進行提取,并根據(jù)式(8)計算無量綱筏化因子,結(jié)果如圖17所示?？梢园l(fā)現(xiàn),3類葉片均是前緣60%葉高處筏化因子最大,這與前文中定性分析結(jié)果一致。3類葉片筏化嚴重程度排序依次為1.5、2.0和1.0,與服役時間并不是正相關,推測這與發(fā)動機的服役歷程相關,1.5大修間隔的渦輪葉片雖然服役時間低于2.0大修間隔的葉片,但是可能承受更為嚴酷的載荷條件。

圖16 不同服役時長渦輪葉片60%葉高微觀組織形貌[31]Fig.16 Microstructural morphology at 60% height section of turbine blades after different service periods[31]

通過圖17的分析可以發(fā)現(xiàn),1.5和2.0大修間隔的渦輪葉片前緣60%葉高處的筏化因子都已經(jīng)超過0.4。結(jié)合圖10合金疲勞壽命的衰減情況,說明這2類葉片已經(jīng)失去了足夠的疲勞壽命儲備,應當判廢,這與大修廠判定的結(jié)果也是一致的。1.0大修間隔的渦輪葉片最大筏化因子雖然不到0.4,但是大修廠判定結(jié)果也是報廢。一方面這與人工判定的主觀因素相關,另一方面渦輪葉片作為影響發(fā)動機服役安全的關鍵部件,工程實踐中保證足夠的安全儲備也是必須的。

4 結(jié) 論

渦輪葉片作為航空發(fā)動機服役環(huán)境最為惡劣的熱端部件,微觀組織筏化及其帶來的判廢和大修間隔制定,定壽與延壽等問題嚴重阻礙發(fā)動機的高性能、高可靠性和高經(jīng)濟性運行與維護。介紹了基于數(shù)字圖像方法的渦輪葉片微觀組織筏化量化表征方法；通過實驗室粗化和筏化預處理試樣的高溫疲勞試驗確定了微觀組織粗化和筏化對疲勞性能劣化的閾值,以高溫疲勞性能劣化為標尺探明了渦輪葉片服役微觀組織筏化狀態(tài)的安全邊界,為渦輪葉片的大修間隔的制定和判廢提供了可行的理論和技術方法。然而,限制渦輪葉片安全服役的強度設計指標涉及靜強度、持久/蠕變、熱機械疲勞以及高循環(huán)疲勞等多個方面。因此,必須要開展全面的微觀組織退化相關的葉片強度及力學性能的研究,才能使發(fā)動機的服役壽命健康管理從傳統(tǒng)的粗放式走向精細化,在高可靠性和高經(jīng)濟性的安全邊界內(nèi)材盡其用。