乔海燕，任学冬，史亦韦，陶春虎

(1. 北京航空材料研究院，北京 100095；2. 航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095)



GH4169高温合金涡轮盘表面径轴向裂纹的渗透检测可行性

乔海燕1,2，任学冬1,2，史亦韦1,2，陶春虎1,2

(1. 北京航空材料研究院，北京 100095；2. 航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095)

分别选用ZL-27A与ZL67渗透液对GH4169涡轮盘表面径轴向裂纹进行高灵敏度后乳化型与高灵敏度水洗型荧光渗透检测，超声波预清洗30 min后，渗透液浸渍与滴落60 min。利用体式镜和扫描电镜研究径轴向裂纹的宏观与微观特征。研究结果表明:GH4169高温合金涡轮盘在锻造过程中造成的表面径轴向裂纹，在高温下被表面氧化形成Cr2O3为主的复杂氧化物层堵塞开口，使得渗透检测方法对其检出并不十分有效。

GH4169；涡轮盘；高温氧化；渗透检测

涡轮盘是航空发动机的重要部件，工作温度虽然比叶片低，但其应力水平很高且应力条件非常复杂，在轮心、轮缘、榫齿等各部位所受应力、温度、介质作用程度均不同，对盘件各部位的材料性能要求非常严格[1]。高温合金是以Fe，Ni或Co为基体，能在600 ℃以上的高温环境下抗氧化或耐腐蚀，并能在一定应力作用下长期工作的一类金属材料[2]。我国涡轮盘变形高温合金的发展概论显示[3]，GH4169是众多涡轮盘用高温合金中最典型的。按照分类[4]，GH4169合金属于Ni基变形高温合金，以体心四方的γ″和γ′沉淀强化，在650 ℃以下具有强度高、抗氧化、抗辐照、热加工性能和焊接性能好等优异的综合机械性能[5]。针对GH4169材料性能的测试研究工作，已经开展许多[3，6-8]，但在涡轮盘实际服役时，材料面临温度、应力等更复杂的考验。由于合金化程度高，材料变形抗力大[9]，加工过程中出现的微小裂纹或服役中产生的疲劳裂纹会由于变形抗力或氧化而难以被检出。涡轮盘表面的裂纹在盘件高速运转过程中极有可能引起断裂。涡轮盘的断裂失效大多会造成非包容性破坏，带来灾难性的后果[10]。2003年，采用GH4169高温合金制作的涡轮盘在试车台运行2个多小时后，就发生了由于锻造裂纹未能检出而造成涡轮盘的非包容性爆破。选择最适合的检测方法，及时检出裂纹对于保障发动机安全和可靠使用具有重要意义。渗透检测是一种以毛细作用原理为基础用于检测非疏孔性金属和非金属试件表面开口缺陷的无损检测方法[11]。渗透检测对有一定深宽比的缺陷如开口细而深的裂纹有很高的检测灵敏度，不受缺陷方向、位置等局限，且缺陷显示直观容易判断，广泛应用于航空制件的表面检测。

本研究对GH4169高温合金涡轮盘进行了渗透检测，并利用多种手段分析表面裂纹特征，探讨了渗透检测是否为发现该表面裂纹的最佳检测方法，为制定涡轮盘生产研制与使用过程中的缺陷检测及其检测工艺的制定奠定基础。

1 实验

1.1 实验方法

选用后乳化型及水洗型荧光渗透方法对涡轮盘表面缺陷进行检测；在体式显微镜下对缺陷位置和特征进行了宏观形貌分析；在扫描电子显微镜及X射线能谱仪下分别对缺陷特征进行了微观分析及成分分析。

1.2 渗透检测实验

试件为用GH4169高温合金制作的涡轮盘，如图1所示，涡轮盘内轮缘表面分布数条目视可见的裂纹，沿轴向与径向延伸，示意图见图2。

图1 涡轮盘局部Fig.1 Part of the turbine disk

图2 裂纹分布示意图Fig.2 Sketch map of crack distribution

涡轮盘经锻造变形加工而成，表面较光洁，组织致密，存在的缺陷一般紧密细小，渗透检测时需选择较高灵敏度的后乳化型荧光渗透液，且渗透时间相应延长[10]。故渗透检测实验选择I类D法，工艺参数见表1。

干粉显像结束后，在黑光灯下观察，仅有一处轻微的荧光显示，用蘸有丙酮的毛刷擦拭后不复现，施加非水湿显像剂补充显像后，出现四处线性荧光显示，但亮度较低，见图3。

图3 补充显像后的荧光显示Fig.3 Fluorescent penetrant indications after additional nonaqueous developing

ProcessConditionsPre-rinseUltrasoniccleaningwithdetergentfor30minPenetrantapplicationImmersionDwellingImmersion+drainingfor60minPre-rinseWaterpre-rinsewaterpressure0.21MPa,distancebetweenspraygunnozzleandthepart>300mmEmulsifyingDwellingfor40sPostrinseWaterpre-rinsewaterpressure0.21MPa,distancebetweenspraygunnozzleandthepart>300mmDryingOver65℃for20minDevelopingDrydevelopers(+nonaqueousdevelopers)InspectionBlacklight

Note:penetrant is HY31.

另外，实验还与高灵敏度水洗法渗透检测进行了比较，检测结果一致，目视可见的裂纹状缺陷在荧光下几乎不可见。

1.3 裂纹形貌观察

在体式显微镜下对涡轮盘上标记有轻微荧光显示的部位进行观察，放大倍数分别为15和45，如图4所示。图中可见，线性、边缘锯齿状、末端细小等裂纹特征较明显，但渗透检测无法检出，综合分析认为，可能是由于某种原因造成了裂纹的闭合，无法留存渗透液。

2 结果与分析

2.1 裂纹微观及成分分析

选择试样上显示最为明显的一处裂纹，线切割制作扫描电镜试样，经金相腐蚀后在扫描电镜下进行观察与分析，裂纹的走向较实体显微镜下更加清晰可见，图5为不同放大倍数下裂纹显示。从放大的形貌上看，微小的裂纹缺陷更象是不同于基体材料的“冶金缺陷”，与基体材料虽有颜色等明显的差异，但与基体材料结合似乎非常好。

为确定缺陷与基体成分差异，选取缺陷处晶界、晶粒、缺陷与基体接壤过渡区等典型部位进行微区能谱成分分析，微区分析点选取见图5。将不同区域能谱分析的主要成分含量结果进行对比，见表2，结果显示，晶界处Cr，Al，Nb元素含量显著高于基体，并且O含量显著，而在与基体接壤区及晶粒内部区域，元素含量变化稍缓成一定梯度，与形貌有很好的对应关系。

Micro-zonesOAlTiCrFeNiNbMoa(grainboundary)11.955.072.0552.544.4010.1713.81b(grain)4.181.4027.3014.7042.459.96c(edgeofgrainandbase)0.521.1218.3016.8350.449.013.78Standardcomponents(reference)0.4-0.7(0.5)0.75-1.15(1)16-1916-1950-554.75-5.5(5.1)2.8-3.3

图6为沿缺陷横向，即图中黄色箭头方向做成分含量线扫描分析，各成分含量变化曲线自上而下分别为Ni,Cr,Fe,Nb,Mo,Ti。由图6可看出，成分含量变化最大的为元素Cr，Ni，在图中大的晶界处及异常颗粒处，Cr含量急剧升高，Ni、Fe含量降低，Nb含量也有所升高；而在两端与基体接壤的部位，Nb,Mo,Ti含量上升而其他元素含量下降。

图6 沿缺陷横向线扫描成分含量变化图谱Fig.6 Atlas of composition content variation by cross line seanning along the defect

2.2 分析与讨论

GH4169高温合金是以Ni-Fe-Cr为基的高温合金，相对于其他镍基高温合金而言，Fe含量较高，因而加入的Cr，Al元素有利于提高合金的抗氧化性能。国内外研究合金的氧化动力学规律表明[12-14]，GH4169的氧化机制是由元素扩散决定的一系列复杂行为，Cr，Al元素与氧反应形成稳定的氧化物，阻止氧化的进一步发展，但实际情况有所差异。在高温下，GH4169高温合金表面因与空气接触接触而发生表面氧化，并且氧原子将会沿着晶界或相界向合金内部扩散而造成内部氧化。由于晶界缺陷较多，氧的浓度高，同时又是碳化物集中处，Al含量较低不能形成足够的AL2O3有效地阻止氧化，氧化便沿晶界或相界向合金内部发展，形成岛状的内氧化层。晶界氧化物的形成和发展使周围基体中的Cr向氧化物扩散富集，造成成分的不均匀。

GH4169高温合金涡轮盘件在高温锻造过程中，由于合金变形抗力大或其他各种原因造成裂纹，经高温氧化使裂纹表面及其亚表层形成Cr2O3为主的复杂氧化物层，填充在微小裂纹内且与裂纹表面有很好的化学与物理结合，使之在渗透检测中无法截留渗透液形成易于观察的显示，从而造成检出的困难。2003年出现的涡轮盘爆破，对出现在表面甚至部分区域呈穿透性锻造裂纹而未能检出，与此有一定关系。对于此类缺陷，应当进一步深入研究采用超声检测、涡流检测、目视检测等多种方法的技术可行性和检测可靠性，寻求最有效的方法，避免漏检造成发动机涡轮盘的失效。

3 结 论

GH4169高温合金涡轮盘表面沿轴径向分布的细微锻造裂纹，在高温下由于表面氧化形成的Cr2O3为主的复杂氧化物层堵塞裂纹，使得与裂纹表面与基体材料有一定的密切结合，渗透检测方法对这一类裂纹的检测并不十分有效，应研究使用超声、涡流或其他合适的方法，避免漏检。

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(责任编辑：张 峥)

Feasibility of Penetrant Testing on Surface Axial-Radial Cracks of GH4169 Super Alloy Turbine Disk

QIAO Haiyan1，2，REN Xuedong1，2，SHI Yiwei1，2，TAO Chunhu1，2

(1. Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China；2.Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation, Beijing 100095, China)

The post emulsifiable and water-washable fluorescent penetrant testing were carried out with ZL-27A and ZL67 respectively. Ultrasonic cleaning by detergent were used for 30 minutes before penetrant. The parts were immersed and drained for 60 minutes. The macroscopic and microscopic characteristics of cracks were researched using the split mirror and scanning electron microscope. The results show that the outgrowth of high temperature oxidation plugs up the forging cracks. Thus the penetrant testing is not effective in detecting this type of cracks.

GH4169 superalloy；turbine disk；high temperature oxidation；penetrant testing

2015-06-30；

2015-10-20

国防科工局技术基础科研项目(JSZL2014205B001)通讯作者：乔海燕(1983—)，女，硕士，工程师，主要从事航空材料表面无损检测技术的研究,(E-mail)cindy220@sina.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.6.015

TG146.1+5；TG115.28

A

1005-5053(2016)06-0092-05