TA12钛合金加力筒体局部异常变色失效分析

2021-05-18刘博志林中楠韩振宇

航空发动机 2021年2期

刘博志，林中楠，韩振宇

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）

0 引言

加力筒体是航空发动机加力燃烧室的重要组成部分，对增大发动机短时推力，提高战斗机动力和机动性能都有重要作用。同时，加力筒体也是加力燃烧室的主要承力部件，前端连接主机，后端连接矢量喷管部件，作为矢量喷管的基础承力部件配合安装矢量喷管的主要作动机构，并承受其载荷；另外，作为发动机与飞机的辅助连接部件，提供与飞机的连接吊挂接口，并承受其安装、机动和喷管偏转载荷[1]。某航空发动机在试车过程中出现加力筒体局部异常变色现象，对发动机后续安全稳定运行构成威胁。因此，对加力筒体变色部位的可靠性评估尤为重要。

随着发动机燃油温度提高及推力矢量技术的应用，对加力筒体的耐温能力、强度、刚性等性能的要求进一步提高，其可靠性对发动机至关重要。Jeffery A L 等[2]研究了加力燃烧室在温度过高和燃油自燃等条件下，加力筒体等相关构件的耐久性和可靠性呈显著下降的趋势；孙雨超等[3]针对未来高推重比航空发动机加力燃烧室的设计需求，优化了加力筒体等构件的设计方案，能够较好地组织加力燃烧室内部燃烧，综合性能良好。目前，国内航空发动机加力筒体主要采用新型钛合金TA12制成[4-5]，TA12是一种综合性能良好的Ti-Al-Sn-Zr-Mo 近α 型热强高温钛合金，由中国自行研制。利用TA12钛合金板材制造的航空发动机加力筒体、盘轴、叶片等零部件，均可在550 ℃下能长期工作[6-7]。该合金具有良好的工艺塑性和超塑性，适用于各种压力加工成型和各种方式的机械加工[8]。生产的半成品主要有板材、棒材和锻件，也可用于铸件生产[9]。任萍等[10]采用TA12A钛合金板材制成网格结构的加力筒体，具有轻量化和耐高温性能的特点，从而进一步提高了发动机的推重比。

为了分析故障加力筒体发生异常变色的原因，本文分别从加力筒体基体材质的力学性能和组织形态出发，通过开展多种失效分析手段与模拟试验相结合的方法，明确了TA12 钛合金板材在空冷状态下加热温度与组织和性能的关系，综合评估了故障加力筒体异常变色部位的基体性能，对其后续服役试车提出相应的建议。

1 试验过程与结果

1.1 宏观检查

故障加力筒体局部宏观图像如图1 所示。从图中可见，故障加力筒体外壁表面多处存在异常变色区域，其面积及分布无明显规律，但颜色从中心到四周逐渐呈暗灰色、暗黄色、淡蓝色、深蓝色、深黄色的变化规律，个别异常变色区中心部位产生少量凸起塑性变形。

图1 故障加力筒体局部（宏观）

1.2 成分分析

利用尼通XL3t 980手持合金分析仪对故障加力筒体不同部位表面进行成分分析，结果见表1。其不同部位的主要合金元素质量分数与材料标准要求基本相符。

表1 故障加力筒体表面成分分析结果 wt/%

2 分析讨论及模拟试验

2.1 失效性质判断

对故障加力筒体外壁表面的异常变色区进行初步判断认为，在发动机加力状态下进行试验试车过程中，由于加力燃烧室内的温度场不均匀，导致加力筒体在异常变色区发生超温故障。分析结果表明：故障加力筒体超温区与未超温区的成分一致，符合标准要求。

2.2 加热模拟试验及结果分析

2.2.1 温－色演变规律

故障加力筒体外壁表面存在异常变色区表明TA12钛合金材料构件在不同加热条件下呈现不同的颜色变化。为进一步判断本次故障中加力筒体变色部位的具体超温情况，参考试验试车数据开展温-色演变规律试验研究，找出加热条件与TA12 钛合金构件表面颜色变化的规律。并根据温-色试验结果，判断故障加力筒体外壁在试车试验过程中经历的最高温度，及异常变色区的温度分布情况。

加热温度和保温时间是温-色演变规律试验的2个主要影响因素。

（1）分析加热温度对TA12 钛合金板材试样表面颜色的影响。根据试车参数及相关数据，该部分试验的加热温度选择为300～1000 ℃，温度间隔为50 ℃，保温时间为10 min，冷却方式为空冷。在不同温度下试样表面分别呈现不同颜色。在450 ℃以下试样表面颜色几乎未发生变化；当加热至500 ℃时试样表面开始微微变黄；继续加热至550 ℃后变成深黄色；至600 ℃时变成黄紫色；至650 ℃时变成深紫色；至700 ℃时呈深蓝色；至750 ℃时呈淡蓝色；至800 ℃时呈粉色；至850 ℃时颜色重新转变为暗黄色；当至900 ℃以上时转变为暗灰色。具体的温-色演变规律如图2所示。

（2）保温时间对TA12 钛合金板材表面颜色的影响。将保温时间延长至60 min，分别选择450、550 和650 ℃3 个温度点对试样进行试验，结果见表2。从表中可见，随着保温时间的延长，试样的表面颜色介于同温度和稍高温度（+50 ℃）短时加热试样的颜色之间；而且随着加热温度的升高，保温时间的长、短对试样颜色影响的差异越来越小（以650 ℃为例）。

图2 TA12钛合金板材温-色演变规律（保温10 min）

表2 保温时间对TA12钛合金板材表面颜色的影响

2.2.2 变色部位温度判断

根据上述温-色演变规律试验研究结果总结如下：加热温度是TA12 钛合金板材表面颜色变化的主要影响因素；保温时间对TA12 钛合金板材表面颜色的影响程度小于加热温度的影响；随着加热温度的升高，保温时间对TA12 钛合金板材表面颜色的影响效果越来越小。根据以上试验结果，对故障加力筒体尾端超温变色部位经历的最高温度范围进行判断：超温区中心位置的温度可达850 ℃左右，四周的淡蓝色区温度约为750 ℃，深蓝色区温度约为700 ℃，未发生异常变色的深黄色区温度约为450～550 ℃。具体的温度区域判断如图3 所示。可见，故障加力筒体异常变色部位已明显超过TA12 钛合金板材550 ℃以下的长期允许使用温度，故障加力筒体局部严重超温。

2.2.3 力学性能测试与可靠性分析

图3 故障加力筒体外壁表面温度区域判断

表3 温－色试样硬度测试结果（HMV）

图4 硬度测试结果统计

为了对故障加力筒体能否继续试车服役进行量化判断，需要测评故障部位的材料性能。对温-色试验试样进行硬度测试，测量结果见表3，统计如图4所示。从表3 和图4 中可见，在约800 ℃以下，随着预加热温度升高，试样硬度值不断减小；在约800 ℃以上，随着预加热温度的升高，试样硬度值略微增大。

为判断加力筒体超温变色部位的强度，尤其在设计温度（475 ℃）以下时，对温-色试样取样分别进行室温（20 ℃）和475 ℃高温下拉伸性能测试，测量结果见表4、5，统计结果如图5、6所示。对比分析TA12钛合金板材温-色试样在室温和475 ℃条件下的强度、延伸率及断面收缩率等测试结果可知：两组试样的室温强度和高温（475 ℃）强度均随预加热温度的升高而缓慢降低，并且都在800 ℃左右时降至最低，之后随着预加热温度的升高都呈提高趋势。并且，对于TA12 钛合金板材试样，在经过900 ℃以上的预加热（空冷）处理后，其高温（475 ℃）强度甚至大于原始状态试样的。在两组拉伸试验中，各试样的延伸率及断面收缩率均未发生明显变化，表明其塑性和韧性指标无明显改变。因此，TA12钛合金板材温-色试样的力学性能随着经历过的最高温度的升高呈先降低后提高的趋势。

表4 室温拉伸性能测试结果

表5 475 ℃下拉伸性能测试结果

图5 室温拉伸性能测试结果统计

图6 475 ℃下拉伸性能测试结果统计

针对故障加力筒体用TA12钛合金板材试样的硬度测试及不同温度下的拉伸性能测试，通过统计结果得出：TA12 钛合金板材在经历过800 ℃左右的超温后，材料性能降至最低；随着经历过的最高温度的升高，材料性能开始反弹上升。本次故障中加力筒体变色部位中心区域的超温程度已经达到800 ℃以上，并且出现少量的塑性变形，表明加力筒体局部的力学性能已经显著降低，该故障加力筒体不再适合继续服役试车。

2.2.4 组织演变规律

为掌握TA12 钛合金板材力学性能的变化规律，对不同试验参数的温-色试样进行金相组织分析，其微观形貌如图7 所示。TA12 钛合金板材基体为具有一定织构方向的等轴组织，主要为等轴初生α相和β转变组织[11-12]。随着加热温度的升高，基体组织中β相的质量分数逐渐降低，在800 ℃时降至最低[13]。说明β相随着加热温度的升高不断转变为α+β相，α相的质量分数逐渐增多。而初生α相的数量及大小对合金的断裂韧度影响极大，初生α相质量分数增多时断裂韧度降低[14-15]，该现象与拉伸性能测试中温-色试样性能逐渐降低相对应。而且，组织中球状的ZrO2和SiO2起到钉扎作用[16]，随着试样温度的升高，ZrO2与SiO2相应减少，钉扎作用降低，导致强度也进一步降低。当加热温度升高到900 ℃时，α相开始转变，初生α相质量分数降低，β转变组织质量分数明显增加，与之相对应的力学性能开始提高[17-18]。经过950 ℃加热试样组织已经完全转变为双态组织，同时力学性能明显提高，甚至在高温下的拉伸性能高于原始试样的。该现象与双态组织拉伸性能明显高于等轴组织的规律一致[19]。