上海雄鋼特種合金有限公司

在目視檢驗(yàn)?zāi)硻C(jī)低壓渦輪葉片時(shí),發(fā)現(xiàn)在葉盆面與榫頭轉(zhuǎn)接R處存在一直徑約1mm的缺陷,缺陷位置及形貌見圖1和2。將缺陷處用砂紙打磨并腐蝕后觀察,發(fā)現(xiàn)缺陷處較基體不易腐蝕,呈白亮色。將葉片放入掃描電鏡進(jìn)行能譜分析,發(fā)現(xiàn)缺陷部位主要成分為W80.7%,Ni7.8%,Co2.3%,Si3.7%和Cr2.1%等,可初步判斷缺陷性質(zhì)為鎢夾雜。

一般來(lái)說(shuō),鎢夾雜多是在采用鎢極氬弧焊打底+手工電弧焊或者鎢極氬弧焊時(shí),鎢極崩落的碎屑留在焊縫內(nèi)形成的高密度夾雜物(俗稱夾鎢)。雖然鎢的熔點(diǎn)很高,但在GH4049電渣錠開坯及軋制溫度下仍有一定的塑性,會(huì)隨變形方向分布(包括點(diǎn)狀、條狀及連續(xù)點(diǎn)狀等)。作為一種體積型缺陷,由于夾雜的存在,將導(dǎo)致合金屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度差距明顯縮小。當(dāng)GH4049合金葉片等零件內(nèi)部存在鎢夾雜時(shí),夾雜將引起應(yīng)力集中,并成為交變載荷下的疲勞源,嚴(yán)重影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、箍段和箍套等零件的使用可靠性。經(jīng)查,鋼廠提供用于制造某發(fā)動(dòng)機(jī)零件的GH4049合金棒材(φ32mm,φ28mm和φ8mm三種規(guī)格)已全部投產(chǎn)加工。為保證零件質(zhì)量和使用的可靠性,研究并確定有效的射線檢測(cè)工藝迫在眉睫。

1GH4049合金材料的特點(diǎn)

GH4049合金是復(fù)雜合金化的鎳基高溫合金,950℃以下有較高的高溫強(qiáng)度,適宜制造900℃以下長(zhǎng)期工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片或其它高溫部件。GH4049合金經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)熱處理后,組織是在γ固溶體的基體上分布有呈方形及球形的γ/[Ni3Al或Ni3(Al,Ti)],沿晶界呈細(xì)小鏈狀分布的M6C,MC以及少量的M23C6(均為碳化物)和M3B2(硼化物),MC和M3B2是初生相沿變形方向分布。長(zhǎng)期使用(時(shí)效)后沒(méi)有新相析出,只有γ/[Ni3Al或Ni3(Al,Ti)]的集聚長(zhǎng)大,以及M6C和M23C6碳化物的增多和形狀的改變。

2射線檢測(cè)工藝

2.1設(shè)備與器材的選擇

透照采用XYD-3010固定式X射線機(jī),所用輔助器材主要有鉛箔增感屏、GYL-Ⅲ型膠片、GB5617-1985絲型像質(zhì)計(jì)及暗袋和鉛字等。

2.2曝光參數(shù)的確定

2.2.1焦距

焦距直接影響射線照相的幾何不清晰度值,進(jìn)而影響總的不清晰度值和小細(xì)節(jié)的射線照相對(duì)比度。因此選取焦距時(shí)應(yīng)考慮:必須滿足射線照相對(duì)幾何不清晰度的規(guī)定,必須給出一定大小的均勻透照區(qū)。前者限定了可采用的焦距最小值,后者是有效透照區(qū)所要求的焦距。目前對(duì)鋼鐵等重金屬材料常采用的規(guī)定方式如下:

式中?f—射線源至物體源側(cè)表面的距離,mm;

d—射線源尺寸,mm;

b—物體源側(cè)表面至膠片的距離,mm。

當(dāng)物體源側(cè)表面與膠片間的距離較小時(shí)(如小于零件厚度的20%),b常指零件本身的厚度T。由于渦輪葉片、箍段和箍套等均屬于航空零部件關(guān)鍵件,所以必須采用B級(jí)射線檢測(cè)技術(shù)。將源尺寸d=3.0mm,被檢測(cè)厚度Tmin=2mm和Tmax=21mm分別代入式(2),求得f分別為71.4和342.5mm。實(shí)際透照時(shí),依據(jù)渦輪葉片、箍段和箍套等零件的不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和批次數(shù)量,采用的焦距為1200～2000mm,完全滿足最小焦距要求。

2.2.2透照參數(shù)

按照射線檢測(cè)的基本原理,當(dāng)采用一定焦距透照同一材質(zhì)、不同厚度的零件時(shí),需考慮厚度寬容度,即在這個(gè)厚度差內(nèi)射線照相靈敏度和射線照片黑度都應(yīng)符合規(guī)定的要求。射線照相厚度寬容度決定于透照時(shí)所選用的射線能量和射線膠片。因此,在透照某發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、箍段和箍套等零件時(shí),根據(jù)所用X射線機(jī)曝光曲線,通過(guò)試驗(yàn)確定了透照參數(shù),具體數(shù)值及獲得的底片影像質(zhì)量見表1。

2.2.3X射線檢查結(jié)果

對(duì)故障葉片(編號(hào)18A01807)缺陷處進(jìn)行X光檢查,發(fā)現(xiàn)在葉盆面與榫頭轉(zhuǎn)接R處存在的缺陷,在底片上反映出其內(nèi)部實(shí)際上長(zhǎng)度近6mm;對(duì)鋼廠同期生產(chǎn)的GH4049棒材加工制造的所有葉片、箍段和箍套等零件(合計(jì)10855件)的成品和半成品進(jìn)行X射線檢查,發(fā)現(xiàn)另有5件葉片、4件箍段的半成品存在夾雜(圖3)。

3夾雜性質(zhì)及成因分析

3.1金相分析

(1)將X光底片上有夾雜顯示的、編號(hào)為18A01035的葉片橫截面磨制成金相試樣進(jìn)行組織觀察和成分分析。缺陷在葉片中所處的位置見圖4所示,缺陷位于葉身中部近葉背位置,其橫截面大小約為0.4mm×0.18mm。經(jīng)顯微鏡和掃描電鏡觀察為缺陷橫截面呈“海綿”狀,缺陷和基體相互包容,交界處未見分離現(xiàn)象(圖5)。在葉片近葉盆部位發(fā)現(xiàn)有另一處長(zhǎng)約0.4mm的缺陷,缺陷的組織形態(tài)與葉背處缺陷相同(圖6)。能譜分析為:由于缺陷呈“海綿”狀,在含鎢量較高的白亮區(qū)中間摻雜著黑色的基體成分,所以用能譜進(jìn)行不同區(qū)域的成分分析時(shí)不具有規(guī)律性,鎢含量在55%～60%之間,兩個(gè)位置缺陷的分析結(jié)果相同。

(2)將X光底片上有夾雜顯示的、編號(hào)為18A03033的葉片橫截面磨制成金相試樣進(jìn)行組織觀察和成分分析。缺陷位于葉身中部近葉背位置(圖7)。經(jīng)顯微鏡和掃描電鏡觀察得:缺陷橫截面有兩塊,大小約為0.22mm×0.08mm和0.3mm×0.18mm,均呈不規(guī)則固體形態(tài),大塊中間有破碎現(xiàn)象,缺陷與基體界限分明,但未見分離現(xiàn)象(圖8)。能譜分析為:塊狀缺陷從中心部位到與基體交界處鎢含量略有下降趨勢(shì)(90%～82%),中間破碎的黑色區(qū)為基體成分,但鎢含量較正常值偏高(約為16%,正常值為5%～6%)。

由以上分析可知,X光顯示缺陷均為鎢夾雜,其中18A01087葉片暴露于表面的缺陷呈不規(guī)則塊狀,缺陷與基體界限分明,但未見分離現(xiàn)象;18A01035葉片缺陷均呈“海綿”狀,缺陷和基體相互包容,交界處未見分離現(xiàn)象;18A03033葉片兩個(gè)缺陷呈不規(guī)則固體形態(tài),大塊中間有破碎現(xiàn)象,缺陷與基體界限分明,但未見分離,缺陷和基體交界處成分有互溶現(xiàn)象。

3.2鎢夾雜的成因分析

鋼廠現(xiàn)行GH4049合金冶煉工藝為真空感應(yīng)加電渣重熔,并采用小爐配大爐的生產(chǎn)工藝,根據(jù)其工藝要求電渣重熔電極需要四根合金錠焊接成一支電極進(jìn)行。即采用200kg真空感應(yīng)爐熔煉澆注成φ80mm電極棒,每爐三支電極棒和成分相近的、另一爐的一支電極棒通過(guò)手工鎢極氬弧焊連接一起。GH4049合金中含有5.0%～6.0%的鎢,但是在真空感應(yīng)熔煉時(shí),鎢是以W30%,Ni70%的Ni-W中間合金形式加入,熔煉時(shí)有足夠的時(shí)間熔化,況且電渣重熔只是電極重熔而已,不再加入鎢或鎢的中間合金,因此可以肯定合金冶煉時(shí)不會(huì)產(chǎn)生高密度鎢夾雜,鎢夾雜只能是在焊接電極時(shí)產(chǎn)生。導(dǎo)致焊接電極時(shí)產(chǎn)生高密度鎢夾雜的可能性有兩種:一是由于操作不慎鎢絲粘在電極棒上;二是鎢極蒸發(fā)沉積到陶瓷管內(nèi)邊緣,沉積較多時(shí)被氬氣吹入到焊縫中而帶入。以上兩種情況都可將高熔點(diǎn)鎢帶到電渣重熔中,3380℃熔點(diǎn)的鎢不可能完全熔化而保留在鋼錠中,在棒材鍛軋過(guò)程中沿縱向被拉長(zhǎng)成長(zhǎng)條狀。一般鎢絲粘在電極棒上的表現(xiàn)為實(shí)體狀形態(tài);鎢極蒸發(fā)沉積到陶瓷管內(nèi)邊緣的表現(xiàn)為疏松狀形態(tài)。在理化解剖鎢夾雜葉片的金相圖上,這兩種形態(tài)的鎢夾雜都存在,進(jìn)一步證明上述兩種產(chǎn)生高密度鎢夾雜的可能性同時(shí)存在,是導(dǎo)致GH4049合金產(chǎn)生高密度鎢夾雜的根本原因。

4鎢燈絲X射線檢查試驗(yàn)

為驗(yàn)證X射線對(duì)鎢夾雜檢測(cè)的靈敏度,從25W的燈泡中取出兩段長(zhǎng)約4～5mm的鎢絲(其直徑為φ0.01mm),將其分別放在成品葉片的進(jìn)排氣邊、葉身及箍段上。經(jīng)X射線透照,在底片上均可見白亮的鎢絲影像,具體透照參數(shù)及試驗(yàn)中射線照相的相對(duì)靈敏度見表2。

5結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)含鎢夾雜的GH4049材料零件的X射線檢查可以看出,由于鎢的密度較基體高很多,使得透射射線的強(qiáng)度相差很大,在X光底片上鎢夾雜的影像呈現(xiàn)很亮的白點(diǎn)、連續(xù)或斷續(xù)的線等,極易分辨。而且X射線底片無(wú)論從黑度上,還是從影像質(zhì)量上都完全符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的黑度要求。如對(duì)于厚度為2～7mm的葉身,像質(zhì)指數(shù)可達(dá)到15;對(duì)厚度變化較大的榫頭(最厚處約21mm),像質(zhì)指數(shù)可達(dá)到13。從表2中可以看到,對(duì)所選擇的透照參數(shù),零件底片影像上的像質(zhì)指數(shù)(靈敏度)均高于X射線照相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的要求,采用X射線檢測(cè)高溫合金中的鎢夾雜是完全可行的。