第3章 涡轮工作叶片裂纹故障

图3-10 裂纹内部腐蚀产物存在

总体说来，上述所研究裂纹有一下特点：①叶背断裂显然少于叶盆；②曲率半径最大处是裂纹的多发区；③裂纹长短不一，大裂纹旁和小裂纹交替存在；④分叉的属于长裂纹，不分叉的属于短裂纹；⑤裂纹首端又平又直；⑥裂纹内部存在有腐蚀产物；

3.2.2裂纹形成及发展特征

首先，对图3-5所示的叶片切片试验抛光在金相显微镜下观察时发现，试样表面在没有用任何侵蚀剂侵蚀的条件下，明显发现了晶界，这表明叶片尖部有大量的腐蚀坑存在（图3-11，）在裂纹（图3-12）的起始端有明显的腐蚀坑。经能谱分析裂纹内的腐蚀产物主要为碳化物和氧化物（见下表3-2）将小裂纹在放大镜下观察，发现在腐蚀层中央有裂纹，裂纹在腐蚀层内扩展，但裂纹尖端没有穿过腐蚀层，这表明主裂纹是先腐蚀后开裂的（图3-13、图3-14）。

表3-2 裂纹内部腐蚀产物能谱分析 元素C O Al W Nb 含量 Wt% 20.07 19.09 5.37 10.89 1.67 At% 42.48 30.34 5.07 1.51 0.46 Ti Cr Co Ni 5.85 17.85 5.12 14.08 3.11 8.73 2.21 6.10 17

电子科技大学成都学院本科毕业设计论文

图3-11 表层腐蚀坑 图3-12 腐蚀坑引起的裂纹

图3-13 钉状裂纹 图3-14 钉状裂纹

在裂纹扩展过程中，热循环导致材料材料和裂纹表面不断腐蚀氧化，有时材料会出现大块腐蚀氧化脱落现象（图3-15），裂纹增宽。能谱分析结果如表3-3，从表3-3中得出，裂纹中部仍然以氧化物和碳化物为主，出现了很多Al2O3块。

在热循环过程中，虽然材料破坏大部分为穿晶，然而因局部晶界氧化严重而产生沿晶开裂（图3-16、表3-4）时有存在，γ-γˊ共晶处是裂纹分叉的多发地，腐蚀顺着晶界择优展开，裂纹大多沿晶界扩张，然也存在裂纹穿过晶粒与氧化裂纹相联结而扩展（图3-17、图3-18）。于应力垂直的裂纹尖端没有腐蚀产物，裂纹属于先开裂后腐，而不与应力垂直的裂纹尖端有腐蚀产物，是先腐后开裂。

18

第3章 涡轮工作叶片裂纹故障

图3-15 主裂纹中部腐蚀产物 图3-16 分叉裂纹尖端氧化开裂

图3-17 主裂纹的第一个分叉沿晶扩展

图3-18 主裂纹的第二个分叉裂纹沿晶扩展

表3-3 图3-14所示各点能谱分析

各1 点 元Wt% Wt% 素 C 16.44 49.04 O 2.30 5．15 2 At% 14.77 10.19 3 Wt% 40.82 21.13 4 Wt% 37.27 28.67 5 At% 38.75 19.48 6 At% 66.69 At% 15.51 15.89 Wt% 14.08 9.43 Wt% 27.23 Wt% 32.42 At% 44.72 19

电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 Al W Ti Cr Fe Co Ni 总 10.38 1.40 4.68 8.78 56.03 100 2.02 1.05 3.22 6.33 34.19 100 0.65 13.57 5.24 1.75 8.08 45.76 100 0.80 2.48 3.35 1.04 4.55 25.87 100 2.75 11.87 7.49 29.81 3.0 13.68 100 2.94 1.86 4.51 16.54 1.47 6.73 100 4.27 12.24 1.41 5.28 8.39 44.89 100 5.25 2.20 0.97 3.36 4.71 25.28 100 1.42 12.79 1.28 3.83 6.64 46.82 100 1.55 67.58 55.28 2.05 0.78 2.17 3.31 23.46 100 100 100 表3-4 图3-11中所示分叉裂纹简短的能谱分析 元素 含量 Wt% At% O 12.49 34.39 Al 5.21 8.52 W 10.73 2.57 Ti 1.80 1.66 Cr 5.38 4.56 Co 9.35 6.99 Ni 55.04 41.31 3.3故障分析结论

以上研究表明，环境和热应力复合作用使高压涡轮叶片叶尖裂纹得以形成并发展，进而使叶片表层材料发展衰变和形成局部蚀坑，这些腐蚀坑再热循环过程中起缺口效应，容易形成微裂纹，是潜在的裂纹源。裂纹形成后，形成了燃气内侵蚀通道，形成氧化物和碳化物等腐蚀产物，这些氧化物和碳化物像钉子一样深入到金属内部，形成“钉扎效应”，再循环应变下，裂纹内淤塞的腐蚀产物起着楔子的作用，在裂纹尖端处造成附加应力，促进裂纹扩展；在裂纹扩展过程中，热腐蚀导致裂纹面氧化增宽；材料晶界腐蚀为分叉裂纹提供核心，并在热应力作用下扩展。主裂纹的扩展是先开裂后腐蚀，分叉裂纹是先腐蚀后开裂。

3.4叶片纵向裂纹故障的修理方法

针对高压涡轮叶片叶尖裂纹故障，目前所能采取的方法，可以用激光显微焊修复。

(1)激光显微焊接修复叶片裂纹要注意如下原则：

1.由于叶片叶尖存在氧化腐蚀、组织衰变，要彻底消除裂纹，就要消除腐蚀层和组织衰变层，但又不能使基材损伤过大，因此开口大小要合适。

20

第3章 涡轮工作叶片裂纹故障

2.补焊材料要与基体材料有良好的相容性，热膨胀系数相近，补焊材料要有良好的高温力学性能和疲劳性能。

3.材料热敏感性高，补焊区域小，因而选用热输入小的固体激光器作为补焊热源。

4.叶片裂纹补焊属于三维立体空间补焊，而材料热敏感性高，在激光补焊时需要在整个补焊区预置一定厚度的涂层将基体有效保护起来。

5.为实现三维空间立体补焊，采用优化积分焊路径。

6.考虑容易腐蚀成为裂纹源，要施加防氧化涂层，提高叶尖抗氧化、热腐蚀能力。

7.激光凝固组织是非平衡胞枝晶组织，组织不稳定，需要在修复后进行组织稳定化处理。

(2)叶片激光焊接性：

叶片的材料为ЖC6y，通过对叶片的试验片进行表面清理、除油、干燥，采用固体脉冲激光加工用不同的工艺进行激光熔焊试验。如下图3-19所示，其焊接性非常差，即使采用热作用非常小的固定脉冲激光焊机进行加工，仍然无法避免裂纹的产生，所以对这样的材料进行补焊时非常困难的，只要激光直接作用在材料上，材料就会产生裂纹。

图3-19 激光熔焊裂纹

21