背景简介

对波兰运营的MiG-29飞机相关航空事故原因的分析表明，其中9%的故障是由RD-33发动机出现损伤造成的。通过对现有文献分析表明，引起发动机部件损坏的主要因素是废气的侵蚀和腐蚀作用促进的热机械载荷。此外，对已发生的两起风机盘出现IV级疲劳裂纹事件分析表明，其间接原因是发动机的使用寿命从最初的1200小时延长到1600小时，导致机械损伤，并导致疲劳裂纹的萌生和扩展。延长发动机的使用寿命意味着将延长发动机在废气最高温度范围内的工作时间，从而增加发动机的工作循环周次。这些因素对暴露在高温下的发动机部件材料的结构变化有着巨大的影响，并可能导致总体强度性能的降低，甚至导致单个部件的损坏。因此，高压涡轮盘作为最容易受到热机械载荷影响的发动机部件，对其材料结构和性能的研究十分重要。

成果介绍

（1）金相显微切片观察表明，试验合金由含有立方γ′相沉淀的初生γ晶粒组成（图1）。在叶片边缘区域，观察到晶界区域存在过度生长的γ′相沉淀物和阻止晶粒生长和高温蠕变的碳化沉淀物，这是由于长期暴露于750℃以上的温度，导致该区域中的材料过热。通过显微观察，发现涡轮盘轮缘区域（图2a），即热废气最大热冲击区域的合金晶粒结构，与轮缘下方区域相比，在晶粒结构的形态上存在明显差异（图2b–e）。可以观察到γ′相的立方晶粒明显有选择性的生长，导致初生晶粒内部形成强烈的失配。此外，在原始边界内，观察到γ′超结构和碳化物沉淀物的异常生长的效应。这种形态变化有助于非定向、扩散的γ′相沉淀物之间的裂纹沿着主晶界和穿晶方向扩展。

图1 晶界内有碳化物析出的试验合金的γ+γ′相结构

图2 沿圆盘半径的晶粒结构变化，距盘底板的距离：（a）23 mm、（b）63 mm、（c）85 mm、（d）128 mm和（e）175 mm

（2）疲劳裂纹起源于γ固溶体初生晶界的过热区域，其特征是γ′相晶粒过度生长和碳化物沉淀（图3a），并在γ′相的晶粒之间扩展（图3b）。在疲劳裂纹萌生的区域中，观察到在圆盘材料烧结过程中使用的粉末颗粒，其被氧化物杂质覆盖，这阻止了扩散过程的正常发生和均匀烧结的实现（图4a）。此外，在γ固溶体的初生晶界区域发现了大量氧化物和氮化物，其削弱了晶界的内聚力和强度，有利于疲劳裂纹萌生和扩展（图4b）。

图3 γ′相晶粒和碳化物沉淀区域（a）γ固溶体初生晶界的裂纹萌生和（b）γ′相晶粒之间的裂纹扩展

图4 烧结过程中（a）未反应的氧化粉末颗粒和（b）基体晶粒内的大量陶瓷沉淀物

(3) 根据静态拉伸试验确定的涡轮机轮盘材料的强度特性显示，强度特性沿轮盘半径发生非单调变化，在距离轮盘底板为60–130 mm范围（即最大冷却区域）内材料的屈服点R_0.2和抗拉强度R_m达到最大值，边缘区域（即最大温度影响区域）的塑性显著降低。

图5 涡轮机材料的（a）屈服强度R_0.2、（b）抗拉强度R_m和（c）应变A随离圆盘底座距离的变化情况

（4）RD-33发动机的操作手册规定了发动机在涡轮区域的允许工作温度。本文根据记录的发动机参数分析发动机飞行过程中排气温度（t₄），获得了三个超出允许极限温度的区间。第一个区间（图6a），观察到高达dt₄=8 ℃的超温值。第二个区间（图6b）温度超出具有振荡特点，整个间隔的时间持续了约8 s。第三个区间温度超标的过程完全不同，在759 s时，出现了轻微超过允许极限温度的情况，后连续持续约12 s，然后达到高达3 ℃的值。由于其周期性，这种超过允许极限温度的情况可能会通过增加该部件的热应力和低周疲劳载荷而导致涡轮机强度降低，由于长期的累积效应，导致了测试发动机高压涡轮盘的破坏。

（a）

（b）

（c）

图6 温度t₄与发动机特性的偏差

本文通讯作者：Stanisław Jóźwiak，Adam Kozakiewicz，Stanisław Kachel，Dariusz Zasada（Military University of Technology, 00-908 Warszawa, Poland）。

本期小编：杨苡桐（整理）

闵　琳（校对）

舒　阳（审核）

闵　琳（发布）