上海雄鋼特種合金有限公司

在目視檢驗某機低壓渦輪葉片時,發(fā)現(xiàn)在葉盆面與榫頭轉接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為鎢夾雜。

一般來說,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,鎢極崩落的碎屑留在焊縫內形成的高密度夾雜物(俗稱夾鎢)。雖然鎢的熔點很高,但在GH4049電渣錠開坯及軋制溫度下仍有一定的塑性,會隨變形方向分布(包括點狀、條狀及連續(xù)點狀等)。作為一種體積型缺陷,由于夾雜的存在,將導致合金屈服強度與抗拉強度差距明顯縮小。當GH4049合金葉片等零件內部存在鎢夾雜時,夾雜將引起應力集中,并成為交變載荷下的疲勞源,嚴重影響航空發(fā)動機渦輪葉片、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)動機零件的GH4049合金棒材(φ32mm,φ28mm和φ8mm三種規(guī)格)已全部投產(chǎn)加工。為保證零件質量和使用的可靠性,研究并確定有效的射線檢測工藝迫在眉睫。

1GH4049合金材料的特點

GH4049合金是復雜合金化的鎳基高溫合金,950℃以下有較高的高溫強度,適宜制造900℃以下長期工作的航空發(fā)動機渦輪葉片或其它高溫部件。GH4049合金經(jīng)標準熱處理后,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。長期使用(時效)后沒有新相析出,只有γ/[Ni3Al或Ni3(Al,Ti)]的集聚長大,以及M6C和M23C6碳化物的增多和形狀的改變。

2射線檢測工藝

2.1設備與器材的選擇

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

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,進而影響總的不清晰度值和小細節(jié)的射線照相對比度。因此選取焦距時應考慮:必須滿足射線照相對幾何不清晰度的規(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—射線源至物體源側表面的距離,mm;

d—射線源尺寸,mm;

b—物體源側表面至膠片的距離,mm。

當物體源側表面與膠片間的距離較小時(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鍵件,所以必須采用B級射線檢測技術。將源尺寸d=3.0mm,被檢測厚度Tmin=2mm和Tmax=21mm分別代入式(2),求得f分別為71.4和342.5mm。實際透照時,依據(jù)渦輪葉片、箍段和箍套等零件的不同結構特點和批次數(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)

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

2.2.3X射線檢查結果

對故障葉片(編號18A01807)缺陷處進行X光檢查,發(fā)現(xiàn)在葉盆面與榫頭轉接R處存在的缺陷,在底片上反映出其內部實際上長度近6mm;對鋼廠同期生產(chǎn)的GH4049棒材加工制造的所有葉片、箍段和箍套等零件(合計10855件)的成品和半成品進行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、編號為18A01035的葉片橫截面磨制成金相試樣進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,所以用能譜進行不同區(qū)域的成分分析時不具有規(guī)律性,鎢含量在55%～60%之間,兩個位置缺陷的分析結果相同。

(2)將X光底片上有夾雜顯示的、編號為18A03033的葉片橫截面磨制成金相試樣進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(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行。即采用200kg真空感應爐熔煉澆注成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,但是在真空感應熔煉時,鎢是以W30%,Ni70%的Ni-W中間合金形式加入,熔煉時有足夠的時間熔化,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不會產(chǎn)生高密度鎢夾雜,鎢夾雜只能是在焊接電極時產(chǎn)生。導致焊接電極時產(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)沉積到陶瓷管內邊緣,沉積較多時被氬氣吹入到焊縫中而帶入。以上兩種情況都可將高熔點鎢帶到電渣重熔中,3380℃熔點的鎢不可能完全熔化而保留在鋼錠中,在棒材鍛軋過程中沿縱向被拉長成長條狀。一般鎢絲粘在電極棒上的表現(xiàn)為實體狀形態(tài);鎢極蒸發(fā)沉積到陶瓷管內邊緣的表現(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,進一步證明上述兩種產(chǎn)生高密度鎢夾雜的可能性同時存在,是導致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

為驗證X射線對鎢夾雜檢測的靈敏度,從25W的燈泡中取出兩段長約4～5mm的鎢絲(其直徑為φ0.01mm),將其分別放在成品葉片的進排氣邊、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)及試驗中射線照相的相對靈敏度見表2。

5結論

(1)通過對含鎢夾雜的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、連續(xù)或斷續(xù)的線等,極易分辨。而且X射線底片無論從黑度上,還是從影像質量上都完全符合標準規(guī)定的黑度要求。如對于厚度為2～7mm的葉身,像質指數(shù)可達到15;對厚度變化較大的榫頭(最厚處約21mm),像質指數(shù)可達到13。從表2中可以看到,對所選擇的透照參數(shù),零件底片影像上的像質指數(shù)(靈敏度)均高于X射線照相檢驗標準中規(guī)定的要求,采用X射線檢測高溫合金中的鎢夾雜是完全可行的。

(2)在透照箍段和箍套毛料時(分別為φ8mm和φ6mm,長約70mm的棒料),發(fā)現(xiàn)當鎢夾雜出現(xiàn)在棒料的邊緣時,由于透照厚度的急劇變化,造成散射狀況的急劇改變,使影像的邊界區(qū)域變得很模糊,即產(chǎn)生“邊蝕”現(xiàn)象,導致鎢夾雜難以發(fā)現(xiàn)。因此必須加強散射線的防護,同時旋轉90°透照兩次,并盡可能降低電壓,降低影像的黑度,以避免由此引起的漏檢。