236h台架试车对GH220合金一级涡轮叶片组织和性能的影响

[D0I:10.13374/j.issn1001053x.1986.s1.013 北京·钢铁学院学报 1986年6月 Journal of Beijing Special issue University 专辑1 of Iron and Steel Technology 61,1986,6 236h台架试车对GH220合金一级涡轮 叶片组织和性能的影响 葛占英孙庆标宋泊叶锐曾孙金贵 (高温合金教研室) 王日毅 (420厂) 摘 要 研究了国产GH220合金涡轮州片经236小时台架试车后的表面渗尽、基体组织与合金性能的变化. 结果表明，该合金组织稳定、性能良好，10？0“C等温热处理工艺合理。该合金尚有很大使用潜力。 关键词：涡轮叶片，渗层，渗铝，持久强度，位错 Influence of 236 hours Engine Rig Test on Structures and Properties of First Stage Turbine Blade of GH220 Alloy Ge Zhanying Sun Qingbio Song Bo Ye Rnizeng Sun Jingui Wang Yueyi Abstract The changes of surface coating,basic structures and mechanical proper- ties in first stage turbine blade of GH220 alloy tested by engine rig for 236 hours has been investigated.The results show that the structures of alloy are stable and properties of alloy still good.The isothermal treatment pro- cess at 1070C is suitable.It is shown that this alloy (blades)has greater potentiality. Key words:turbine blades;aluminide;stress rupture;dislocation 106

年 月 专 辑 北 京 钢 铁 学 院 学 报 土 。 工 沁 ， 邓肚台架试车对 合金一级涡轮 叶 片组织和性能的影响 ’ 葛 占英 孙庆标 宋泊 叶锐 曾 孙金贵 高温 合金教 研室 王 日 毅 厂 摘 要 譬 研究了 国产 。 合金 涡 轮叶片经 小 时 台架试车后 的表 面渗 层 、 结 果 表 明 ， 该 合金 组织 稳定 、 性 能 良好 ， ’ 等温 热 处 理工艺 合理 。 关键 词 涡 轮叶片 ， 渗层 ， 渗铝 ， 持久 强度 ， 位错 基 体组织 与合 金性能 的 变化 。 该 合金 尚有很大使用 潜 力 亡 ’ ’ 厉 口 耐 。 、 口 ’ 耐 环 山 了“ 夕‘ 良 考 ， 七 上 五 了 。 ℃ 、 五 七 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1986．s1．013

前 言 在台架试车的高温、复杂应力条件下，叶片能否保持原有组织和良好性能，并能经受长 期工作的考验，是研究工作者们所关心的重要问题之一。 叶片经过236h（实际累计时间)，长试分解后，对61个叶片进行外貌观察，并选取7个 叶片（包括一个未长试原始叶片）作组织和性能全面分析。 7个叶片的炉号及渗铝工艺如下： 除15M60(叶片号为30#)用料浆渗铝外，15M57(2#)、1H200010(10#)、 1H200010(24#)、15M60(45#)、15M57(54#)和15M57(x#)均采用真空渗铝 工艺。上述材料除10#、24#由抚钢提供外，其余均是长钢供给。x#为未经长试的原始叶 片。 实验内容及结果 1.1试验用材料的化学成分 材料化学成分见表1 表1化学成份（复验数据） Table 1 Chemical composition of alloys (checked data) 二Elements Cr w Mo Ti O Mn Fe Co No heat 1H200010 9.965.615.374.062.30.043 Trace0.0360.003 0.0010.280.2314.87 15M57 10.096.215.724.172.460.0850.020.0320.0047 <0.0150.3110.2414.950.01 15M60 10.106.285.784.202.480.04<0.020.0310.0061<0.0150.3161.5414.950.003 Elements H 0 Mg Pb Sn As Sb Bi Naheat 1H200010 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 0.149 15M57 0.00012 0.001 0.0028 0.00052 0.00024 0.00031 0.00013 Trace 15M60 0.0001 0.0009 0.0029 0.00078 0.0042 0.00044 0.00013 Trace 1.2等温热处理后的性能（表2） 全部叶片均进行着色探伤检查，未发现有裂纹。 1.3实验结果 (1)叶片外貌观察：236h试车后，发现有少数叶片有程度不同的渗层剩落等缺陷。 (2)晶粒度：图1和2为低倍晶粒度；高倍(100×)晶粒度级别为2一3级。 (3)硬度值 表4为对24#、30#的纵断面进行布氏硬度测定的结果。 从测定结果看出，由榫头到叶尖，硬度略有上升，但差别不显著。 107

前 言 在台架试车的高温 、 复杂 应力条件下 ， 叶 片能否保 持原有组织 和 良好 性能 ， 并能经受长 赞簿扮燕妙 恤份 取 一 … · 除 叨 叶 片号 为 加 用料 桨 渗 铝 外 ， 、 、 护 、 、 、 巧 、 和儿 工艺 。 上述材料除 、 砰 由抚钢提 供外 ， 其 余均是长钢供给 。 片 。 均采 用 真 空 渗 铝 为未经长试的 原 始叶 一 实验 内容及结 果 试验用 材料 的化学成分 材料 化学成分 见表 表了 化学成份 复验数据 一 阳 触爪 呜可 心姗如 引 办 一 和 “ 妞 幻 科产禅聋戴卞 犷 滩 一 职 。 壬于 ‘ 随 、 一 、 又 一 名一 、 一 从一 壬 氏 ， 了 ‘ 飞 等温热处理后的性能 表 全部叶 片均进行着色探伤检查 ， 未发现 有裂纹 。 ‘ 实 验结果 叶 片外貌观察 试车后 ， 发现有少数叶片有程度不同的渗层刹落等缺 陷 。 晶粒 度 图 和 为低倍晶粒度 高倍 义 晶粒度 级别为 一 级 。 硬度 值 表 为对 、 的纵 断面进 行 布 氏硬 度测 定 的结果 。 从测定结果看出 ， 由禅头到叶尖 ， 硬 度略有上升 ， 但差别 不显著 。 ‘ 功

选用两种涂层叶片，对不同部位（见图3）进行渗层显微硬度测定。渗层分为表层、过渡 层及内层三个区，每个区测三点，基体测两点。结果表明，叶片试车前后硬度值变化不大， 故数据从略。 表2 持久与短时性能 Table 2 Stress repture and short-time properties Properties Stress repture,940,'C220MPa Short-time property,950'C Na heat Life,h 中% 8% ob(MPa) 中% 8% 1H200010 41:40/41:40 8/9.2 568/600 15/15 20/18 15M57 45:28/41:00 15.7/11.99 8.0/9.2 559/556 28.8/26.5 25.G/30 15M60 57:10/42:30 14.7/15.36 12.4/16.4 566/553 29.8/23.7 93.G/29.2 图1叶背品粒度的外貌(1：2) 图2叶盆品粒度外貌(1：2) Fig.I Macrograin size on the convex surface Fig.2 Macrograin size on the concave of blades (1:2) surface of blades (1:2) 表4布氏硬度压痕直径(mm) Table 4 Indentation diameter of Brinell hardness,mm Blade 1 2 3 4 6 24# 3.25 3.25 3.25 3.2 30# 3.3 3.3 3.25 3.25 3.3 3.3 198

选用两种 涂层 叶 片 ， 对不 同部位 见 图 进 行渗层 显微 硬 度测 定 。 渗 层 分 为表层 、 过 渡 层 及 内层三个 区 ， 每个区测 三 点 ， 基体测 两点 。 结果表 明 ， 叶片试车前后 硬 度 值变化不大 ， 故 数据从 略 。 表 持久 与短时性 能 一 ， 。 。 石 一 亡 七 ， 一 一巨测︺ ， 〕 各 帕 邑 肠 江 八吕 歇 、 民 。 韶 叮 图 叶背 晶 粒度 的 外貌 幻 ， 图 叶盆 晶粒度外貌 士 。 表 布 氏硬度压痕直 径 、 一 ， 。 …一 厂一一… 。 甲 娜奸理只斧于甲 工 愁

Vacuum Bluminid 1 urry alumin1d 图3测定部位示意图 Fig.3 Schematic diagram of sample positions 2分析和讨论 2.1渗层变化 根据渗层中各层元素变化及析出相不同，可将渗层分为表层、过渡层和内层三个区讨 论。 (1)表层： 试车前叶片表面外观呈细小颗粒状。试车后变得 较粗大。试车前叶片表面Ni、A1含量较高，而试车 后叶片表面i含量仍然较高，但A!元素则明显降 4005.0 低。合金中其他元素如Cr、Co、W、Mo等也有所 降低。叶片表面生成了以AL为主的氧化物，即氧化 铝。 (2)过渡层及内层 图 白亮层及表层之间主要是B一NiA1相，称为过渡 层或外层；与基体相连的白亮层主要由碳化物及金属 12001020304050 化合物组成（基体除外），称为内层。 Distauce,um 依次对叶片渗层三个区域作了点扫描，方向从左 Before test After tect 至右，由渗层到基体。将扫描点的各元素含量经换算 图4渗层点扫描元素变化 绘制成曲线示于图4。 Fig.4 Eiement change by point scamning (3)渗层厚度及渗层组织： 由于叶片渗层工艺不同（料浆渗A1及真空渗A两种）其渗层厚度也不一样。真空渗A1 层厚度为22.5μm,料浆渗A1层厚度为32.5μm(图5)。试车后的渗层组织在与基体交界处出 图5渗层组织及针状相 Fig.5 Coating structure and platelike phase

心 皿 一 三」 一声一户一一州一一 好 切工 工成 右 了 工 工 图 测定 部位 示意图 金乳 主 分 析 和 讨 论 渗层变化 一 根据渗层中各层元 素变化及 伤 出相不同 ， 可将渗层分为表层 、 过渡层 和 内层 三 个 区 讨 论 。 农 层 试车前 叶片表面外观呈细 小颗粒 状 。 试车后变得 较粗大 。 试车前 叶 片表面 、 含 量较 高 ， 而试车 片表面 含 量仍然较 高 ， 但 八 元素则 明显降 合金 中其他元素如 人 味 、 。 等也有所 阳氏 。 叶片表面生 成了以 为主确化物 ， 即氧化 铝 。 几 过渡层 及 内层 绘制撇成 曲线 示于 图 熬。 嗽爹 护 一 厂 一 产一 产、 。 、 尸 ‘ 顶 卜一 汾户 夕卜 广 · 一 尸 ， ，、 一 乙 、 一 入之卜 、 之广介 ’ 一 议 办 久 卜 沁工扮沁扮、 · 知如却即劝 敬 阅亏工 衬泳翻 桩拱口吕。 妙加 户。 吞 一 曹 加 飞 别 的 印 刀 七 ， 沙功 公 七 七 众 七 分 七 口 七 图 一 渗层点扫描元素变化 连 仁 层厚 戴彭蒸飘糯留装浆暑鬓豪攀眷器魏 图 渗层组 织 及针状相 刀

现针状相，并向基体内延伸长大（见图6）。x射线衍射结果表明针状相为μ相。 (4)基体 叶片试车后Y‘碳化物、硼化物相的变化不明显。 用1000kV超高压电镜观察了叶片试车前后基体内的位错，分布情况如图7a、b、c,d并 示。 图6针快相出现 Fig.6 Occurrence of plate-like phase a-before test b-position 3 after tetst c-position 5 after test d-position 1 after test 图7叶片试车前后部位的位错 Fig.7 Dislocations i in different positions of blade before and after test 110

现针状相 ， 并向基体内延 伸长 大 见图 。 射线衍 射结 果表明针 状相为 卜相 。 基体 叶 片试车后 丫 ‘ 碳 化 物 、 硼 化 物相 的变化不 明显 。 用 超 高压 电镜 观察 了叶片试车前后 基体 内的位错 ， 分 布情 况如 图 、 、 、 沂 示 。 图 针状相 出现 一 五 一 一 鑫 一 图 叶片试车前后 部位的位错 一

由图7看出，试车前叶片中位错很少，试车后 位错明显增加。叶尖部位位错（图7d)比叶根部 位（图7℃）位错数量多，而且切制Y'相。但远未 达到蠕变第三阶段的程度（见图8）〔1)，说明叶片 还有很大潜力，可继续使用。 2.2渗层 (1)渗层的表层及过渡层 根据X射线衍射分析，试车前叶片表面主要是 B一NiA1相。试车后为A12Os相，还有NiO等，面 扫描也证明A1和O2在试车的叶片表面大量存在。 图8蠕变第三阶段位皓 叶片表面虽然生成致密的A12O:氧化物，但当形 Fig.8 Dislocations at third stage of creep 成Y'一NiA1时叶片氧化加剧。其反应式为： 3NiA1+3/2O2=NiA1+A,Og〔2)。因此一般要求维持B一NiA1相组织存在的时间尽可能 长，使渗层中的AI浓度足以形成B一NiA1相。 由点扫描（图4）看出，过渡层为贫W、Mo、Cr等元素，但Ni、A1元素富集。试车后 过渡层加宽。Ni富集的原因可能是基体Ni向该区扩散所致。这是过渡层Ni的主要来源之 一。于是引起如下反应。NiA1+2Ni=NigAI,使B一NiAI中沉淀出NigAl,并使渗层变宽。 其宽度的增加将使叶片寿命降低。图5同样说明在NiAI元素含量较高的情况下，W、Mo、 Cr等元素含量相对较低。 (2)碳化物层（以碳化物为主要析出相）或称内层。 图看出，内层中W、Mo,Cr等元素富集，比试车前还高，而Ni等元素比试车前低。 碳化物在该区内富集。W、Mo、C·等元素的增加可能是碳化物层加宽的主要原因。也就是 说B一NiAI层中W、Mo、Cr等元素进一步向该区扩散并与碳结合成新碳化物相因而引起渗 层加宽。而该区Ni可能向外扩散，成为NiA1+2Ni=NigA1中Ni的又一来源。 2.3基本组织： (1)Y'、碳化物、硼化物： 透射电镜观察表明，基体组织中的小Y'不明显，而大Y'和碳化物有长大趋势，这与该 合金所作的长期时效及蠕变试验的组织变化特点相似〔3一5)。Y'及碳化物有所长大是高温合 金在高温下长期工作时组织变化的普遍规律。叶片试车后组织与原始组织相比，其长大趋势 比较缓慢。说明GI220合金经236h长试后其组织是较稳定的。 Y射线分析结果表明，试车前后合金基体内无新相生成。但渗层下面出现针状μ相。 对试车叶片还进行了物理化学相分析，结果发现MC型碳化物略有下降，而M23C。稍有增 加。试车后各相的百分含量及相组成基本无变化。 (2)针状相： 针状相是一种有搭相，它的析出、数量、尺寸的增加都将引起合金性能的下降。尽管针 的种类和形态不同，但总的来说，它的析出和长大应该避免。 叶片试车后，发现渗层与基体交界处有针状相析出（见图6）。此针状相为μ相而不是 M。C相。其原因一方面M。C型碳化物中含有一定量的碳，但该区为贫碳区；另一方面根据 表6数据计算电子空位数，试车后该处(7点的成份)的电子空位数为N。=2,7。在镍基合 111

瓶姗脚肠 崛随咏 由图 看 出 ， 试车前叶 片中位错 很少 ， 试车后 位错 明显增加 。 叶尖部位位错 图 比叶 根 部 位 图 位错数量 多 ， 而且切割 州 相 。 但远未 达 到蠕变第三 阶段 的程度 见 图 〔 ， 说 明叶片 还有很大潜力 ， 可继 续 使 用 。 渗层 渗层 的表 层及过渡 层 根据 射 线 衍射分析 ， 试车前 叶片 表面主要是 日一 主人 相 。 试车后为川 汁目 ， 还有 等 ， 面 扫描 也证 明 和 。 。 在试车 的叶 片表面 大量 存在 。 叶 片表面虽然生成致密 的 人姚。 。 氧 化 物 ， 但 当形 成 丫 ‘ 一 。 八工 时叶 片氧 化加 剧 。 其 反 应 式 为 图 蠕 变第三阶段 位错 王 刻娜侧暇脚 八 庄 。 热八 。 〕 。 因此 一般 要 求维 持 日一 相组织 存在 的时间尽 可能 长 ， 使渗 层 中的 浓 度足 以形成 日一 主 相 。 由点扫描 图 看 出 ， 过渡 层为 贫 、 。 、 等元 素 ， 但 、 元 素富集 。 试车后 过渡 层加宽 。 富集的原因可 能是基体 向该区 扩散所 致 。 这是过渡层 的主要来 源之 一 。 于 是 引起 如 下反 应 。 八 冲 一 ， 使 日一 中沉淀 出 。 ， 并使渗层变宽 。 其宽 度 的增加将使 叶片寿 命降低 。 图 同样说 明在 认 元 素含量较 高的情况下 ， 、 。 、 等元素含 量相对较低 。 碳化物层 以碳 化物为主 要析 出相 或称 内层 。 图、看 出 ， 内层 中 、 。 、 等元 素富集 ， 比试车前还 高 ， 而 等元 素比 试车前低 。 碳 化物在该 区 内富集 。 、 。 、 等元 素 的增加可 能是 碳 化物层 加宽的主 要原因 。 也就是 说 日一 姚 层 中 、 。 、 等元素进 一步 向该 区扩散并与碳结合 成新碳 化物相 因而引起渗 层加宽 。 而该区 全可 能 向外扩散 ， 成为 干 一 中 的又 一来源 。 。 基 本组织 丫 ’ 、 碳化 物 、 硼化物 透 射电镜观察表 明 ， 基体组 织 中的小 丫 ’ 不 明显 ， 而大 丫 ‘ 和碳 化物有长大趋势 ， 这 与该 合金所 作 的长 期时 效及蠕 变试验的组织 变化 特点 相似〔卜 〕 。 ’ 及碳 化物有所长大是高温合 金 在高温下 长期工作 时组织变化 的普遍规律 。 叶 片试车后 组织 与原始组织相 比 ， 其长 大趋势 比较缓慢 。 说 明 工 一 合金 经托 长 试后其组 织是较稳 定 的 。 戈 时 线 分 析结果表 明 ， 试主 前后 合金 基体 内无 新相 生 成 。 但渗 层下面 出现针状 ， 相 。 对试车 叶片还进 行 了物理化 学相分析 ， 结果发 现 型碳 化 物略有下降 ， 而 。 。 稍有 增 加 。 试车后 各相 的百 分含量及相组 成基本无 变化 。 针 状相 针状相是一种 有害相 ， 它 的析 出 、 数量 、 尺 寸 的增 加都将 弓起 合金 性能 的下降 。 尽 管针 的种 类和 形态 不 同 ， 但 总 的来 说 ， 它 的析出和长 大应 该避 免 。 叶 片试车后 ， 发现 渗 层与基体 交界处 有针状相析 出 见图 。 此针 状相为 仆 相 而不 是 。 臼目 。 其原 因一方面 。 型碳化 物 中含有 一定量的碳 ， 但该 区为 贫碳 区 ， 另一方面 根据 表 数据 计算 电子 空位 数 ， 试车后 该处 点的成份 的电子 空位 数 为 。 在镍 基 合

金中理论推算结果N,>2.3时易出现μ相。所以认为渗层与基体交界处出现的是μ相。这一 理论推算也被另一实验结果所证实为μ相。 由Ni一Co一Mo,Cr一Mo一Co三元等温截面相图(6)分析可知，在该温度下形成μ相 的区域很宽。 综上所述确认针状相为·相。 (3)位错变化： 由图？看出，试车后基体内位错增加，特别是在叶尖部位。试车时叶片内部的各种应 力、温度梯度、组织变化等都有可萌生新的位错或使位错增殖。众所周知，叶片工作时， 叶尖部位温度高，叶根部位应力大。但从叶尖处位错多，叶根处位错少这一事实出发，认为 在本试验条件下，造成位错增殖和运动的主要因素是温度。当然，应力对位错的影响也是不 可忽视的。 尽管叶尖位错较叶根位错严重，但与蠕变断裂前的位错数量相比，仍少的多，故叶片尚 有很大潜力，可继续试车。 3结 论 。(1)叶片236h试车后，渗铝层的宽度增加。组织变粗，表面生成以A1zOa为主的氧化物 层，渗层仍具有良好的保护性能。 (2)叶片长试后，其内部组织与性能稳定，说明1070℃等温弯晶处理的GH220合金尚有 很大潜力，可以继续试车。 参考文献 〔1〕叶锐曾、葛占英等：金属学报，A34.1(1934)c0 〔2)北京钢铁学院高温教研宣，化学中心：长期时效对渗铝层的GH220合金叶片表面组织的影响，1983年，内部 资料 〔3〕北京钢铁学院高温教研室，420厂：仿制发动机叶片实物分析，1980年，内部资科 〔4〕北京钢铁学院高温教研宣：GH220合金长期组织稳定性研究，1982年，内部资料 〔5〕Ko0 MHHeB;1,T.:Kapocroagne吨中y3 OHaLe IIoRpTH:I3 a Mera,.nnypra,1979 12

金 中理论推算结果灭落乡 时易 出现 ，相 。 所 以认为渗层 与基体交界处 出现 的是 相 。 这 一 理论推算也被 另一实验结 果所证 实为 件相 。 · ’ 由 一 。 一 。 ， 一 一 。 三元 等温截面相 图川 分 析可知 ， 在该 温度下形 成 、 相 的区域很宽 。 综 上所述 确认针 状相 为 件相 。 位错变化 由图 看 出 ， 试车后 基体 内位错 增 加 ， 特别 是在叶尖 部位 。 试车时 叶 片 内部 的 各 种 应 力 、 温 度梯度 、 组织 变化 等都有可萌生 新 的位错或使位错 增殖 。 众 所周知 ， 叶 片 工 作 时 ， 叶尖部位 温度 高 ， 叶 根部位应 力 大 。 但从 叶尖 处位错 多 ， 叶 根处位错 少这 一事 实 出发 ， 认 为 在本试验 条件下 ， 造 成位错增殖和运 动 的主 要 因素是温 度 。 当然 ， 应 力 对 位铅的影响 也是不 可忽 视 的 。 尽 管叶 尖 位错较 叶 根位错 严重 ， 但 与蠕 变断裂前 的位错 数 量相 比 ， 仍 少的 多 ， 故叶片尚 有很大潜力 ， 可继续 试车 。 结 论 叶 片 试车后 ， 渗铝 层 的宽 度增加 。 层 ， 渗 层仍具 有 良好 的保护 性 能 。 叶 片 一 氏试后 ， 其 内部 组 织 与 性能稳 定 ， 很 大潜力 ， 可 以继 续 试车 。 组织 变粗 ， 表面生 成 以 。 为 主 的氧 化 物 说明 了。 ℃等温 弯 晶处理 的 合金 尚有 参 考 文 献 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 叶锐 曾 、 葛 占英 等 金 属 学报 ， 工 约 。 那京钢 铁 学 院高温教研室 ， 化 学中心 长 期 时 效对渗 铝 层 的 。 合金 叶 片表 面 组织 的影 响 ， 年 ， 内部 资料 北 京 钢 铁学 院高温教 研室 ， 。 厂 仿制 发动 机 叶片 实 物 分析 ， 。 年 ， 内部资科 北 京 钢 铁 学 院高温 教研室 。 合 金长 期 组 织 稳定 性研究 ， 日 年 ， 内 部资料 。 刀。 二 。 扭 。 。 。 。 几。 中中 二 。 。 二。 。 。 ， 二 。 二 ， 飞