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为什么用它造飞机?铬镍铁-718合金金相组织分析

  很久以前,人们就开始用拉削的方法在燃气涡轮盘上加工榫槽。叶片通过榫槽固定在涡轮盘上。然而,拉削加工会导致涡轮盘表面及表面下层的组织结构发生变化,进而影响轮盘的抗疲劳强度。所以在拉削加工工艺的优化设计中,很重要的一点是绘制出拉削法加工的榫槽的可靠且定量的金相组织图。在本文中,我们采用了光学显微镜检测法和扫描电子显微镜检查法对工业燃气涡轮铬镍铁-718合金盘的榫槽的表层和表面下层的金相结构进行了分析。重点在于研究拉削加工榫槽在轮盘表面及表面下层造成的缺陷的特性。同时,研究还得出榫槽表面原材料”,和晶粒的大小。使用基于材料的FEM模型预测轮盘的疲劳寿命时,需要输入金相组织的这些重要特性参数。通过金相组织结构的研究,我们发现了如刮痕和扭曲这样的缺陷。随后,我们将这些缺陷的特性参数(尺寸和形态)与燃气轮机制造商给的设计标准作比较。此外,受拉削影响区域和原始材料进行对比可发现,晶粒的体积分数出现明显的变化。这些变化与拉削过程中摩擦生热有关。最后,我们通过对比原始材料,就拉削表面金相组织演变对显微硬度的变化的影响进行了研究。

  铬镍铁-718合金,是一种Ni-Fe-Cr高温合金由国际镍公司于上世纪50年代发明。这是一种沉淀硬化的合金,能表现出很高的应力和极强的抗疲劳、抗蠕变的能力。因为其在高温下有很高的抗氧化能力而且强度高,所以铬镍铁-718合金在航空工业领域,尤其是作为燃气涡轮发动机轮盘的制作材料而广泛应用。一般来说,轮盘和叶片通过纵树形榫连接在一起,而拉削加工工艺是加工纵树形榫槽的关键。通常,大家的关注点在于热变形中温度和张紧程度对晶粒尺寸变化的影响。拉削加工还会造成轮盘表面和表面下层的金相组织结构发生改变,进而影响轮盘的抗疲劳性,但是纵览文献,几乎没有论文对拉削加工铬镍铁-718合金轮盘造成的显微结构变化进行定性和定量分析。

  本项研究目的在于对拉削加工铬镍铁-718合金轮盘的纵树形榫槽的表面和表面下层金相组织结构进行描述和量化处理。特别记录了轮盘表面和下表面层由于拉削加工造成的缺陷的描述和量化分析,并研究加工区晶粒尺寸和晶粒特性。

  我们截取铬镍铁-718合金轮盘的一部分进行研究(图1)。像图2中展示的那样,我们用电火花切割加工的方式从中间榫槽的首、中、尾三处取金相样本。

  图2 (a) 从图1的中间一排榫槽行取样(分别为拉削的起始、中间和结尾部位),箭头指出被研究表面;(b) 每一个准备进行缺陷和金相分析的部分

  为了满足金相分析的需求,样本固定之后,会经过一套自动化的打磨和抛光的工艺。打磨时,会用到320,400,600和1200的砂纸。打磨后,样本会在MD绒织物上用1m金刚石悬浮液作为抛光液进行抛光2分钟。为了能用扫描电子显微镜(SEM)来观察晶粒的边界,样本会在电压4V的条件下在草酸溶液中电蚀20~40秒。为了能高清晰度的捕捉“和的特征,样本需在电压10V溶液(8ml H2SO4和100ml H2O)中电蚀20秒,并且还要使用装有扫描发射枪(FEG)的扫描电子显微镜。

  用SEM分析缺陷时,样本需在电压3V溶液(5g CuCl2,100ml HCL和100ml 乙醇)中电蚀10秒。用高度差法得出晶粒的尺寸。用ASTM得到不同晶粒的体积分数:E562假定面积分数等于体积分数。用Clemex图像分析软件测出不同晶粒的尺寸。为得出有代表性的统计结果,至少要使用6张金相图来确定不同晶粒的尺寸和特征。

  每一个样本至少要取5处进行Rockwell A 硬度测定,然后每一处计算一个平均值。在实验中,刮痕之间的距离通常大于5倍刮痕直径。为了和文献中的硬度值作比较,Rockwell A 硬度值需要转换成维氏硬度,ASTM:E140。

  本次研究中,我们对中间一排榫槽的缺陷进行了系统的分析。更确切的来说,我们观察并量化了拉削的起始、中间和结尾部位。表1中给出了拉削加工的铬镍铁-718合金轮盘纵树形榫槽所包含的不同种类的缺陷。需要提及的是,在研究样本中,我们没有观察到白层,非经形层,次生物质,黑斑,再积层,异物,以及裂纹等缺陷。

  图3到图6展示了一部分观察到的缺陷。图3展示的是刮蚀,比如机械加工表面会出现的小孔。确实,刮蚀是最常见的表面缺陷。大家都知道,铬镍铁-718合金由于其在加工中机械硬化很快,所以很难去进行机械加工。不同的工具材料和拉削条件,合金的表面会出现加剧的侧面磨损,成坑和冲口。然而,所有研究样本中,刮蚀的最大可接受的深度都比设计的要小。类似的,如图4,展示的是扭曲层的图像。在这层中(7m 宽)相有一个特别的排列。这个现象在榫槽的顶部很容易被发现,这可能与在这个区域拉削引起的应力有关。

  榫槽最粗糙的表面(图5)在拉削的起始和终止。同样,如图6所示,有一种缺陷叫材料不完全分离,类似于材料断裂,但是没有从轮盘表面脱落。这种现象在所有样本中都存在。这类缺陷最长有25m,其特征(尺寸和形态)各不相同。这种缺陷源于拉削的质量,其对轮盘寿命的影响还有待进一步研究。