冯 翔

（中船重工龙江广瀚燃气轮机有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000）

在所有现代燃气轮机上，转子叶片数量多，工作条件恶劣，受力复杂，出现断裂失效的概率最高。往往一个叶片的断裂会导致其它叶片的破坏，乃至整个燃机无法工作，严重危及燃机的使用可靠性。然而在众多叶片断裂的案例中，仅有少数属于外物撞击造成叶片瞬时断裂，除此外绝大多数是由各种原因导致的叶片疲劳断裂失效。为保证装机叶片的疲劳可靠性，降低叶片运行过程中疲劳断裂的风险，某主机厂在生产某型叶片过程时，从该批次叶片中随机抽取10片进行疲劳寿命考核试验，其中9片考核合格，1片叶片在试验寿命仅达考核寿命一半时，产生裂纹，未通过考核。

1 裂纹叶片概况

将未通过疲劳考核的叶片进行荧光检测，如图1，叶片表面进气边侧可见一条明显裂纹，如图中箭头所指。经过测量，裂纹距叶片排气边边缘约34mm，距叶盆侧身根上缘板高度24mm。且由图可见裂纹在扩展过程中存在明显分叉现象(见图1中红色虚线所示)，裂纹整体形貌为中间略宽，两边略窄。可初步推断裂纹的起始位置位于裂纹中部。

图1 叶片荧光检测形貌

2 材料检验与断口分析

（1）断口的宏观观察。将裂纹叶片沿原始裂纹处人为打开，并对打开的裂纹断口进行宏观观察，如图2所示，根据断口表面形貌不同，可将断口分为3个部分。图2中红色虚线Ⅰ区为原始裂纹断口，黄色虚线Ⅱ区为人工打开断口，两种断口的宏观形貌存在明显差别。

图2 人为打开断口整体形貌

对原始裂纹断口进行宏观观察，由图3可见，原始裂纹已贯穿透叶片整个壁厚（约1.58mm），整个裂纹两侧区域相对平坦，中间区域较粗糙，且具有明显的放射状棱线，根据棱线分布及走向，可以判断裂纹扩展方向(如图中红色箭头所示)，推断裂纹源位于放射棱线汇聚区域，且该区域颜色较深。

图3 原始裂纹断口宏观形貌

（2）断口的微观观察。将断口放入扫描电镜进行微观观察，图4为断口的完整微观形貌，根据宏观观察裂纹源位置以及裂纹整体形貌，将裂纹断口分为图4中所示ABC三个区域进行观察，图5为A区域放大形貌，通过图5左侧二次电子图像，可见明显疲劳弧线（图中红色箭头所示），以及河流花样走向（图中黄色箭头所示）。图5右侧为背散射电子图像，背散射电子图像的衬度是由于原子序数的不同而引起的，可以用来区分材料的不同成分。由图可见，图5中D、E两区域衬度较其他区域更深，表明D、E两区域与其他区域成分存在不同。通过测量，衬度较深D区域直径约为0.35mm。

图4 原始裂纹断口微观形貌

图5 A区域微观放大形貌

D区域放大形貌如图6，断口表面衬度较深的区域覆有薄膜状物质，且该物质存在一定龟裂现象。E区域放大形貌如图7，与D区域形貌相近，衬度较深区域均存在相似的薄膜状物质。对D、E区域进行能谱成分检测，检测成分见表1。对比薄膜状物质区域与其他区域的微区成分可知，薄膜状物质区域氧含量很高，判断其为氧化夹杂，属于冶金缺陷。

表1 能谱检测成分

图6 D区域局部放大形貌

图7 E区域局部放大形貌

图8为B区与的放大形貌，可见比较清晰的河流花样，为解理断口形貌。C区相对平坦，其局部放大形貌如图9，可见疲劳条带，为疲劳扩展的特征。图10为人工打开断口形貌，与其他区域形貌存在明显差异。

图8 B区域口微观形貌

图9 C区域微观形貌

图10 人工打开断口微观形貌

3 断裂原因分析

送检叶片于叶身进气边侧产生裂纹，通过对叶片裂纹观察、断口观察以及微区成分检测，可以得出以下几点：

（1）裂纹的中间位置存在分叉现象，且整体呈中间宽，两边窄形貌。

（2）原始裂纹断口宏观观察，断口中间区域粗糙，两侧略平坦，有大量放射状棱线，根据放射状棱线指向，可判断裂纹起始区域。

（3）原始裂纹断口微观观察，局部可见疲劳弧线，且有明显河流花样，属于解理断口形貌，裂纹断口的略平坦区可见疲劳条带。根据疲劳弧线汇聚方向和河流花样走向，可判断裂纹起始区域，与宏观观察结果一致。

（4）裂纹起始区域背散射形貌衬度较深，表面覆有薄膜状物质，对薄膜状物质进行成分分析，氧含量较高，判断其为氧化夹杂，属于冶金缺陷。

综合所述，考核未通过叶片产生的裂纹由中间区域，靠近叶片内腔侧起始，向两侧疲劳扩展，裂纹起始区域覆有薄膜状氧化夹杂。

4 结语

源区上存在严重的氧化夹杂是导致叶片疲劳考核未通过的根本原因，属于冶金铸造工艺缺陷，与铸造工艺控制不严有关。由于该型叶片内腔孔道设计复杂，此次产生的氧化夹杂尺寸较小，尽管该叶片在生产过程中已经过多种无损检测，但现有的X射线等检测方法无法对该微小尺寸缺陷进行有效监控，进而导致缺陷叶片未能及时发现，存在装机运行的风险。叶片铸造厂应筛选优良净度原材料，优化铸造工艺，强化生产过程检查，提高冶炼时滤渣排渣能力，同时提高每批次叶片解剖检查比例，对叶片大应力位置、结构复杂位置、易产生缺陷位置等区域进行重点筛查。降低缺陷叶片流入装机可能。