渦輪發動機部分的斷裂面的分析方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種渦輪發動機金屬零件斷裂或裂紋面的分析方法，尤其是由鈦鋁基金屬合金制成的零件。
現有技術
[0002]渦輪發動機零件可能在其開發過程中或使用期間裂縫或斷裂。因此在實驗室對稱為“面”的斷裂或裂紋面進行了分析(斷口金相學)。所說的面對應于零件的斷裂表面或在實驗室打開未斷的有裂紋的零件之前的裂紋表面。對所述面的分析應使得有可能對零件如何以及為什么斷裂或產生裂縫進行解釋。該分析的主要目的具體是定位裂紋或斷裂的起始區域，確認零件的任何冶金特性或幾何特性，確定裂紋或斷裂的類型(突發的、振動的或循環的)以及導致斷裂或裂紋等對零件進行載荷(彎曲、扭轉或牽拉)的方法。
[0003]可以讀取由鎳或鈷基金屬合金制成的渦輪發動機零件的斷裂或裂紋面，并且進行上述分析沒有太多困難，因為所述面相對光滑，且斷裂或裂紋的起始區域可以從在所述面上能夠看到的宏觀與微觀疲勞輝紋的形狀和方向來推斷。
[0004]新的金屬合金，尤其是鈦招基金屬合金，用于制造禍輪發動機零件，所述新的合金具有如鎳基合金的抗性且具有重量較輕的優點。一旦發生斷裂或裂縫，研究這些新的合金的行為是非常有必要的。
[0005]文獻研究和實驗室實驗(牽拉、高周疲勞、低周疲勞、蠕變等)表明，這些新的合金并不是以常規方式產生裂紋和斷裂，從而很難定位斷裂或裂紋的起始位置、斷裂或裂紋的擴展方向、隨著疲勞逐漸產生的裂紋與突發斷裂之間的區別。
[0006]特別是當觀察鈦鋁基合金(如Ti 48-2-2)制成的渦輪葉片的斷裂面時，注意到該面是均勻的，并且很難定位斷裂的起始區域、所述斷裂的擴展方向以及斷裂類型。
[0007]因此，的確需要一種對由所述簡單、高效、經濟的新金屬合金生產的零件所述面進行分析的方法，可應用在評估損害分析的領域。
【發明內容】
[0008]本發明提出一種渦輪發動機金屬零件斷裂或裂紋面的分析方法，尤其是由極其脆弱的斷裂材料，如鈦鋁基合金制成的零件，所述面對應于斷裂表面或在實驗室打開未斷的有裂紋的零件之前的裂紋表面，其特征在于，所述方法包括至少一個以下步驟:
[0009]a)在所述面上識別解理刻面的位置與方向，以便識別所述斷裂或裂紋的起始區域并確定所述斷裂或裂紋的擴展方向；
[0010]b)對所述面進行檢查并對存在等軸晶粒和/或層狀晶粒的區域進行檢測，以便評估發生斷裂或裂紋的溫度，以及
[0011]c)將所述面的回火色與回火色比色表中的樣品的回火色進行比較，所述樣品由與零件相同的材料生產且在預定的溫度下進行預定時長的氧化熱處理，以便評估斷裂或裂紋的擴展速度。
[0012]根據本發明的方法包括的步驟越多，零件的所述面的分析越完整。該方法可包括僅有步驟a)，僅有步驟b)，僅有步驟c)，步驟a)和b)，步驟a)和c)，步驟b)和c)或步驟a)、b)和 c) ο
[0013]步驟a)、b)和/或c)按任何順序進行，但優選按上述順序進行。
[0014]根據本發明的方法使得有可能對斷裂或裂紋的起始區域進行精確定位(步驟a))，以便知曉發生斷裂或形成裂紋的溫度(步驟b))，和/或確定是突發斷裂還是隨著疲勞逐漸產生的裂紋(步驟C))。
[0015]在本申請中，極其脆弱的斷裂材料被理解為意指在該材料上所發生的斷裂不會留下為研究所述斷裂起源而能夠用于分析的任何常規標志的一種材料。
[0016]步驟a)基于對所述面的解理刻面的位置和方向的分析。所述零件材料的脆弱晶體沿形成所述刻面的特定平面斷裂。一般而言，所述刻面相對于位于斷裂或裂紋擴展前方區域中的中心點基本上全部放射地朝向外部。刻面基本上分布于已發生斷裂或裂紋面的整個表面。最終的斷裂區域的位置通常與起始區域相對。因此，刻面使得有可能找出斷裂或裂紋的擴展方向。
[0017]例如，使用雙筒放大鏡和/或借助掃描電子顯微鏡(SEM)成像系統來執行步驟a)。步驟a)可在于在所述面的可視圖像中識別和直接跟蹤解理刻面的位置與方向。
[0018]步驟a)可進一步在于確定出能夠對裂紋或斷裂的出現做出解釋的至少一種幾何學的(刮痕、撞擊等)或冶金學的(孔隙率、夾雜物等)缺陷。
[0019]根據發生斷裂或裂紋的溫度對裂紋或斷裂面進行改進。所述零件的材料可包括在所述面上能夠看到的等軸晶粒和/或層狀晶粒。等軸晶粒不具有偏好的取向(對稱晶體和各向同性晶體)且一般在材料經受高于或等于500°C的溫度時出現。因此，斷裂面上存在或不存在所述晶粒都使得有可能對發生斷裂或裂紋的溫度進行評估。因此該方法在于，在步驟b)中確定是否在500°C溫度以上或以下產生斷裂或裂紋。步驟b)可進一步在于確定斷裂或裂紋是否在使用期間d高溫或制造期間的低溫時產生。
[0020]例如，使用雙筒放大鏡和/或借助掃描電子顯微鏡(SEM)成像系統來執行步驟b)。
[0021]該方法的步驟b)可在于通過估計所述面上等軸晶粒的密度來評估產生斷裂或裂紋的溫度。確實，發明者注意到，所述晶粒的密度隨溫度增加而增加。
[0022]該方法可進一步在于在步驟b)中對所述面進行檢查并對存在韌窩的區域進行檢測。鈦鋁合金在溫度高達800°C時相對脆弱，因為它在斷裂時具有I %至3%的伸長率。這種伸長率在800°C以上會大幅度增加，在900°C溫度下大約是20%。在800°C以上，所述面上出現韌窩，并可通過例如觀察所述面的SEM圖像容易地識別出來。當這種韌窩出現在所述面上時，則這意味著零件已經過異常過熱，因為所述合金通常不在800°C以上用于渦輪發動機中，因為它會喪失機械性能。因此檢測所述面上的韌窩使得有可能對零件所承受的溫度進行估計。
[0023]步驟c)使得有可能通過將所述面的回火色與比色表或之前制定的圖表中的樣品的回火色進行比較來確定零件的斷裂類型，正如申請人的早期申請FRA1-2，968，759中所述。如果所述面的斷裂表面顏色均一，則斷裂是突發的。相反，如果斷裂面具有漸變顏色，則斷裂是逐漸產生的且一般是由于振動疲勞或寡循環疲勞產生的。這種類型的疲勞是通過所述面的回火色梯度確定斷裂的擴展階段的時間來確定的。
[0024]在步驟c)中，在樣品經過熱處理之前，可在每個樣品中產生一個缺口，然后使其承受應力以便在所述缺口區域中產生斷裂或裂紋。
[0025]步驟c)可進一步包括將零件的所述面上的回火色與上述樣品的回火色進行比較，以便評估零件達到的溫度水平。
【附圖說明】
[0026]參照附圖通過非限制性示例對本發明進行更好地理解，并且本發明的其他細節、特征和優點應在閱讀以下說明后變得顯而易見，其中:
[0027]—圖1是鈦鋁渦輪發動機葉片的斷裂面的雙筒放大鏡圖像；
[0028]一圖2和圖3是圖1中葉片斷裂面的SEM圖像；
[0029]一圖4是鈦鋁葉片另一個斷裂面的雙筒放大鏡圖像；
[0030]一圖5是圖4中零件的所述面的SEM圖像；
[0031]一圖6是鈦鋁葉片另一個斷裂面的部分SEM圖像；
[0032]一圖7是鈦鋁零件的非常簡略的剖面圖，并表明裂紋通過零件的粒狀區的進展；
[0033]一圖8是鈦鋁葉片另一個斷裂面的部分SEM圖像，并指出等軸晶粒和層狀晶粒；
[0034]一圖9是已經過氧化熱處理的鈦鋁葉片的所述面的可視圖像；
[0035]一圖10是回火色比色表的可視圖像；
[0036]一圖11是根據本發明方法的實施例的不同步驟的流程圖，以及
[0037]—圖12至圖14是分別指出解理刻面、等軸晶粒及韌窩的斷裂面的SEM圖像。
【具體實施方式】
[0038]首先參照圖1，圖1是渦輪發動機的渦輪的鈦鋁葉片12的斷裂面10的雙筒放大鏡圖像。在這種情況下，斷裂面10延伸到與葉片的片體橫切的平面中。
[0039]正如上面所解釋的，需要注意，所述面的斷裂形狀是相對均勻的，而且當前采用的渦輪發動機零件斷裂面分析技術不能用來分析所述面。
[0040]圖2和圖3是鈦鋁渦輪葉片的斷裂面的SEM圖像，斷裂是由疲勞加載蓄有意造成的。圖2中的面是具有由振動的或多循環的疲勞(HCF)產生的裂紋的面，圖3中的面是具有靜態斷裂的面。在這兩個面之間的金屬斷裂形狀沒有顯著的差異，對寡循環疲勞(LCF)或蠕變造成的斷裂獲得了類似的觀察結果。
[0041]本發明提出了一種渦輪發動機金屬零件斷裂或裂紋面的分析方法，尤其是用鈦鋁制成的零件，圖11通過流程圖示出了所述方法的實施例。
[0042]圖11所示方法的第一步14在于:在斷裂面10上，利用雙筒放大鏡繪制解理刻面的圖表，換言之，在所述面上，識別解理刻面的位置與方向。所述解理刻面顯示出材料的脆弱晶粒的斷裂面。
[0043]圖4是利用雙筒放大鏡獲取并利用計算機處理的圖像，以便添加顯示解理刻面16的位置與方向的箭頭。圖5是圖4中的零件的更大尺寸的SEM圖像。來自圖4的葉片的斷裂是通過以下方式獲取的:在葉片片體的后緣中產生缺口 18，然后按照從下表面向上表面彎曲的方法，在實驗室內對葉片進行突發斷裂實驗。
[0044]在彎曲期間，解理刻面16的方向與葉片片體的斷裂方向一致。圖11所示方法的第二步24在于:識別起始區域并確定斷裂方向(最終斷裂區域的位置與起始區域相對)。該步驟還可以使得有可能確定造成斷裂的幾何學的(刮痕或撞擊一一圖11中的參考標記25)或冶金學的(孔隙率或夾雜物)缺陷。
[0045]在圖4所示的示例中，解理刻面16基本上是從缺口 18的底部(更具體地說，垂直于缺口 18底部的方角20)朝向葉片片體的前緣22。這使得有可能在所述方角20區域定位斷裂的起始并且據此推斷出所述方角是出現斷裂的幾何因素(因為應力集中在所述方角區域)。
[0046]圖6是鈦鋁葉片的另一斷裂面的SEM圖像，斷裂是由環境溫度下的高周疲勞實驗造成的。解理刻面16的位置與方向使得有可能在葉片的前緣區域定位起始區域26。
[0047]鈦鋁是一種能夠特別有利地用于