CN115524352A - 航空发动机镍基高温合金部件的缺陷检测方法 - Google Patents

航空发动机镍基高温合金部件的缺陷检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种航空发动机镍基高温合金部件的缺陷检测方法，包括以下步骤：进行铸造镍基高温合金部件的熔模精铸数值模拟；测试件铸造；对测试件存在气孔缺陷的部位进行取样；将样品在室温条件下进行拉伸测试直至断裂；通过扫描电镜对拉伸测试后的样品断口进行形貌分析；使用EDS和WDS对拉伸测试后的样品断口至少取5个位置点进行能谱和光谱分析；结合断口形貌以及断口处与非断口区域的O、Al和Cr含量的差异，确定是否存在双氧化膜类型的缺陷。该方法可以有效地检测出双氧化膜等常规检测方法无法检测的二维缺陷，有效避免了由于缺陷存在而导致的航空发动机零部件的断裂以及整个发动机的结构失效。

Description

航空发动机镍基高温合金部件的缺陷检测方法
技术领域
本发明涉及航空发动机材料技术领域，特别是涉及航空发动机镍基高温合金部件的缺陷检测方法。
背景技术
商用航空发动机研制是一项集多学科、高精尖的复杂系统工程，一直处于高新技术的制高点，全球只有少数几个国家能够独立研制，其性能指标的实现在很大程度上依赖于材料和制造工艺技术水平的提升。此外，与军用航空发动机相比，商用航空发动机具有长寿命、高可靠性、低成本和适航认证的研制要求，这对发动机的材料工艺及制造过程控制提出了更高的要求。
多数反应活泼的金属如Al、Mg在合金熔炼浇注或流动过程中由于表面波动而导致铸件的显微组织可能含有双氧化膜等微观缺陷，这类缺陷是典型的二维缺陷，面积在平方毫米级而厚度却是微米级，它不在X射线测量范围内，也不在超声波检测范围内，常规方法不易检测到这类缺陷。由于检测方法的缺失，这类缺陷通常很难被捕捉到，目前还没有足够的试验数据和研究显示这类缺陷在真空铸造高温合金中的形貌特征，并且其对性能的影响研究也甚少开展。铸件断裂通常发生在存在缺陷的薄弱区，当铸件试棒中存在双氧化膜等微观缺陷时，试棒断裂将沿双氧化膜区域撕开，因此对于高温合金铸件中这类缺陷的检测至关重要，尤其是涉及到性能要求较高的航空发动机镍基高温合金铸件。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何检测航空发动机镍基高温合金部件的典型缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种航空发动机镍基高温合金部件的缺陷检测方法，其包括以下步骤：
(1)根据待铸造的镍基高温合金部件，选择镍基高温合金的牌号；
(2)进行待铸造的镍基高温合金部件的熔模精铸数值模拟，该数值模拟包括以下步骤：
(2-1)采用三维设计软件绘制出待铸造的镍基高温合金部件及浇冒口系统的3D模型，并且将该3D模型导入铸造CAE软件中；
(2-2)进行该3D模型的网格划分；
(2-3)将所选择的牌号的镍基高温合金的化学成分、热物性参数和铸造工艺参数以及包括模壳材料、模壳温度和厚度以及散热条件在内的边界条件输入铸造CAE软件，进行数值模拟；
(2-4)根据模拟结果确定镍基高温合金在铸造成部件的凝固过程中缺陷容易出现的位置；
(3)测试件铸造：按照铸造工艺参数进行测试件浇铸，并且在浇铸过程中连入3mm直径的软管,该软管一端连着惰性气体罐，另一端配接耐高温陶瓷头，通过耐高温陶瓷头向浇铸模具中通入惰性气体以产生气泡从而在铸造的测试件中引入气孔缺陷，通过控制气体流量、陶瓷头的位置和陶瓷头的方向，并且辅助X射线进行在线监测来控制气孔缺陷的尺寸和位置，确保在步骤(2-4)中确定的缺陷容易出现的位置引入了气孔缺陷；
(4)对测试件存在气孔缺陷的部位进行取样，取样位置需覆盖步骤(2-4)中确定的缺陷容易出现的位置；
(5)将步骤(4)获得的样品在室温条件下进行拉伸测试直至断裂；
(6)将步骤(5)获得的断口制备成SEM样品，通过扫描电镜对该SEM样品进行形貌分析；
(7)使用EDS和WDS对步骤(5)获得的断口至少取5个位置点进行能谱和光谱分析；
(8)双氧化膜类型的缺陷的判定：
A)如果步骤(6)的扫描电镜观察到的断口相对平滑，并且参考所选择的牌号的镍基高温合金的标准成分含量，如果断口处O、Al和Cr含量明显高于非断口区域的O、Al和Cr含量，则判定存在双氧化膜类型的缺陷；
B)如果步骤(6)的扫描电镜观察到的断口包括大量裂纹，并且断口处的O、Al和Cr含量与非断口区域的O、Al和Cr含量没有明显区别，则判定不存在双氧化膜类型的缺陷。
在一种示例性实施方案中，所述部件为涡轮叶片或机匣。
在一种示例性实施方案中，在步骤(2-3)中通过优化浇冒口的形式、大小和开设位置、合金浇铸温度、浇铸速度和模壳温度，重复模拟，直到模拟结果没有明显缺陷。
在一种示例性实施方案中，在步骤(2-4)中结合使用Niyama判据与缩孔判据来分析铸件的缺陷。
在一种示例性实施方案中，在步骤(3)中控制气孔缺陷的尺寸在5μm-1mm范围。
在一种示例性实施方案中，在步骤(4)中，取样处的金属流动特性与部件本体特征结构保持一致，样品能够代表部件产品的微观组织特征。
本发明的有益效果：
本专利所述的航空发动机镍基高温合金部件的缺陷检测方法，首次发明了在发动机铸件内部可控制造缺陷的方法；结合解剖分析进行检测验证；在航空发动机中提出将材料的断口微观组织形貌评价方法与首件鉴定和周期性检测要求，形成了国产发动机材料数据评价方法等核心关键技术及方法准则系统，为国产发动机材料适航取证奠定了坚实的基础。同时，本专利提出的叶片类、机匣类发动机零部件测试取样方法和要求以及双氧化膜等缺陷的微观检测方法，可以有效地检测出双氧化膜等常规检测方法无法检测的二维缺陷，有效避免了由于缺陷存在导致的航空发动机零部件的断裂以及整个发动机的结构失效。该方法所示思路同样适用于发动机复合材料零部件的原材料及制件的微观检测及性能评价。
附图说明
图1是熔模精铸流程图。
图2是涡轮叶片模型图。
图3是将镍基高温合金铸造成涡轮叶片的凝固过程的模拟结果图。
图4是将镍基高温合金铸造成涡轮叶片的缩孔模拟结果图。
图5是涡轮叶片测试件的缺陷分析取样位置的示意图。
图6是在浇铸过程中在浇铸模具中通入惰性气体以产生气泡的示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种航空发动机镍基高温合金部件的缺陷检测方法，其包括以下步骤：
(1)根据待铸造的镍基高温合金部件，选择镍基高温合金的牌号，其中所述部件为涡轮叶片或机匣；
(2)进行待铸造的镍基高温合金部件的熔模精铸数值模拟，该数值模拟包括以下步骤：
(2-1)采用三维设计软件绘制出待铸造的镍基高温合金部件及浇冒口系统的3D模型，并且将该3D模型导入铸造CAE软件中；
(2-2)进行该3D模型的网格划分；
(2-3)将所选择的牌号的镍基高温合金的化学成分、热物性参数和铸造工艺参数以及包括模壳材料、模壳温度和厚度以及散热条件在内的边界条件输入铸造CAE软件，进行数值模拟，并且通过优化浇冒口的形式、大小和开设位置、合金浇铸温度、浇铸速度和模壳温度，重复模拟，直到模拟结果没有明显缺陷；
(2-4)根据模拟结果确定镍基高温合金在铸造成部件的凝固过程中缺陷容易出现的位置，其中结合使用Niyama判据与缩孔判据来分析铸件的缺陷；
(3)测试件铸造：按照铸造工艺参数进行测试件浇铸，并且在浇铸过程中连入3mm直径的软管，该软管一端连着惰性气体罐，另一端配接耐高温陶瓷头，通过耐高温陶瓷头向浇铸模具中通入惰性气体以产生气泡从而在铸造的测试件中引入气孔缺陷，通过控制气体流量、陶瓷头的位置和陶瓷头的方向并辅助X射线进行在线监测来控制气孔缺陷的尺寸和位置，确保在步骤(2-4)中确定的缺陷容易出现的位置引入了气孔缺陷，气孔缺陷的尺寸控制在5μm-1mm范围；
(4)对测试件存在气孔缺陷的部位进行取样，取样位置需覆盖步骤(2-4)中确定的缺陷容易出现的位置，取样处的金属流动特性与部件本体特征结构保持一致，样品能够代表部件产品的微观组织特征；
(5)将步骤(4)获得的样品在室温条件下进行拉伸测试直至断裂；
(6)将步骤(5)获得的断口制备成SEM样品，通过扫描电镜对该SEM样品进行形貌分析；
(7)使用EDS和WDS对步骤(5)获得的断口至少取5个位置点进行能谱和光谱分析；
(8)双氧化膜类型的缺陷的判定：
A)如果步骤(6)的扫描电镜观察到的断口相对平滑，并且参考所选择的牌号的镍基高温合金的标准成分含量，如果断口处O、Al和Cr含量明显高于非断口区域的O、Al和Cr含量，则判定存在双氧化膜类型的缺陷；
B)如果步骤(6)的扫描电镜观察到的断口包括大量裂纹，并且断口处的O、Al和Cr含量与非断口区域的O、Al和Cr含量没有明显区别，则判定不存在双氧化膜类型的缺陷。
实施例
以涡轮叶片类航空发动机镍基高温合金铸件为例，具体方法步骤说明如下：
(1)根据待铸造的镍基高温合金涡轮叶片，选择镍基高温合金的牌号为K417G；
(2)进行待铸造的镍基高温合金涡轮叶片的熔模精铸数值模拟，该数值模拟包括以下步骤：
(2-1)采用三维设计软件(例如UG NX，Pro/E，CATIA，SolidWorks，Solidedge，CAXA等CAD软件)绘制出待铸造的镍基高温合金涡轮叶片及浇冒口系统的3D模型，并且将该3D模型通过stl等接口导入铸造CAE软件中；
(2-2)进行该3D模型的网格划分，模壳厚度设置为6.0mm，设定目标网格数为2000000，计算机自动划分网格，总网格数为20899350，金属网格数为1731169；
(2-3)将所选择的牌号的镍基高温合金的化学成分、热物性参数和铸造工艺参数以及包括模壳材料、模壳温度和厚度以及散热条件在内的边界条件输入铸造CAE软件，进行数值模拟，其中
化学成分(重量百分比)：C 0.13-0.22，Al 4.8-5.7，Mo 2.5-3.5V 0.6-0.9，Zr0.05-0.09，Fe≤1.0，S≤0.010，P≤0.015，Mn≤0.2，Si≤0.2，Cr 8.5-9.5，Ti 4.1-4.7，Co9-11，B 0.012-0.024，余量为Ni。
热物性参数-液相线温度：1335℃；
热物性参数-固相线温度：1164℃
模壳材料：莫来石
铸造工艺：重力条件下，合金浇注温度为1455℃，模壳温度为950℃，浇注时间为2s，合金液与模壳的热传导系数HTC为1000W/m2K，并且通过优化浇冒口的形式、大小和开设位置、合金浇铸温度、浇铸速度和模壳温度，重复模拟，直到模拟结果没有明显缺陷；
(2-4)根据模拟结果确定镍基高温合金在铸造成部件的凝固过程中缺陷容易出现的位置，其中
首先进行铸件的充型过程和结果的分析：观察充型过程不同时刻的流动形态和温度、速度等信息，注意金属液在充型过程中是否存在温度低于液相线等状况，若温度低于液相线，则可能存在冷隔，浇不足等潜在危险；金属液流动中存在涡流，则可能夹渣、夹杂等不能上浮；两股金属液在型腔内相碰撞，则可能存在熔接痕，也有可能存在冷隔；查看浇注结束后金属液温度分布情况，金属液在型腔内的温度分布是否顶部温度高、底部温度低，是否有利于补缩。根据模拟结果，可知浇注过程中及浇注结束时，温度均超过液相线。只是在充型过程中，存在紊流，虽然在高真空条件下浇注，但也容易导致夹杂物及氧化皮微缺陷。进行凝固过程和结果的分析，观察铸件各部分的凝固进展顺序图，在铸件凝固过程中，冒口是否保持液态并最后凝固，补缩通道是否连通，如图3。开展孔隙判据，对铸件缩孔加以判断。缩孔判据设定值为0.0001-10，颜色标尺上对应着0.001％-10％的缩孔率。颜色越深孔隙含量越少。其中颜色最深区域表示缩孔率为零即没有缩孔，而白颜色区域就说明缩孔率很高其值接近10％，相应的缩孔率均可在颜色标尺上找到对应值，如图4所示，将Niyama判据与缩孔判据一同使用来分析铸件的缺陷问题；
(3)测试件铸造：按照铸造工艺参数进行测试件浇铸，并且在浇铸过程中连入3mm直径的软管，该软管一端连着惰性气体罐，另一端配接耐高温陶瓷头，通过耐高温陶瓷头向浇铸模具中通入惰性气体以产生气泡从而在铸造的测试件中产生气孔缺陷，通过控制气体流量、陶瓷头的位置和陶瓷头的方向并辅助X射线进行在线监测来控制气孔缺陷的尺寸和位置，确保在步骤(2-4)中确定的缺陷容易出现的位置引入了气孔缺陷，气孔缺陷的尺寸控制在5μm-1mm范围；
发动机镍基高温合金叶片通常是采用熔模精铸工艺制造。熔模铸造是用熔模材料制成熔模模样件(简称蜡模)并组成模组，然后在模组表面涂敷多层耐火材料，待干燥固化后，将模组加热熔出模料，经高温焙烧后浇入金属液即得熔模铸件，其具体工艺流程如图1所示。
(4)对测试件存在气孔缺陷的部位进行取样，取样位置需覆盖步骤(2-4)中确定的缺陷容易出现的位置，取样处的金属流动特性与部件本体特征结构保持一致，样品能够代表部件产品的微观组织特征。对于涡轮叶片，按照图5进行取样设计。
(5)将步骤(4)获得的样品在室温条件下进行拉伸测试直至断裂；
(6)将步骤(5)获得的断口制备成SEM样品，通过扫描电镜对该SEM样品进行形貌分析；
(7)使用EDS和WDS对步骤(5)获得的断口至少取5个位置点进行能谱和光谱分析；
(8)双氧化膜类型的缺陷的判定：
A)如果步骤(6)的扫描电镜观察到的断口相对平滑，并且参考所选择的牌号的镍基高温合金的标准成分含量，如果断口处O、Al和Cr含量明显高于非断口区域的O、Al和Cr含量，判定存在双氧化膜类型的缺陷，对于本实施例使用的K417G镍基合金而言，按照标准成分百分比含量，Al含量为4.8-5.7，Cr含量为8.5-9.5，如果能谱和光谱显示O含量＞3，Al含量＞6，同时Cr含量＞9.5，则判定存在双氧化膜类型的缺陷；
B)如果步骤(6)的扫描电镜观察到的断口包括大量裂纹，并且断口处的O、Al和Cr含量与非断口区域的O、Al和Cr含量没有明显区别，则判定不存在双氧化膜类型的缺陷。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
除非另外限定，本文使用的所有技术和科学术语具有这些示例性实施方案所属领域的普通技术人员常理解的相同含义。本文描述中使用的术语表述仅用于描述示例性实施方案并不意图为限制示例性实施方案。因此，整体发明构思不意图被限制为本文说明的特定实施方案。虽然本文描述了优选方法和材料，但是可在本发明的实践或测试中使用与本文描述的那些类似或等同的其它方法和材料。
除非另外指出，否则说明书和权利要求书中使用的表示成分的量、化学和分子性质、反应条件等的所有数字应理解为在所有情况下都由术语“约”修饰。因此，除非相反地指出，说明书和所附权利要求书中阐述的数值参数是可取决于通过本文示例性实施方案寻求获得的期望性质而变化的近似值。至少每个数值参数应当根据有效数字的数值和普通的舍入方法来解释。
尽管阐述示例性实施方案的宽泛范围的数值范围和参数是近似值，但尽可能精确地报告在具体实施例中阐述的数值。然而，任何数值固有地含有由在它们各自的测试测量中发现的标准偏差所必然产生的某些误差。在整个说明书和权利要求书中给出的每个数值范围将包括落入这样的较宽数值范围内的每个较窄的数值范围，如同在本文中也明确地写出这样的较窄的数值范围。此外，实施例中报告的任何数值可用于限定本文公开的较宽组成范围的上端点或下端点。

Claims (6)

1.一种航空发动机镍基高温合金部件的缺陷检测方法，其包括以下步骤：
(1)根据待铸造的镍基高温合金部件，选择镍基高温合金的牌号；
(2)进行待铸造的镍基高温合金部件的熔模精铸数值模拟，该数值模拟包括以下步骤：
(2-1)采用三维设计软件绘制出待铸造的镍基高温合金部件及浇冒口系统的3D模型，并且将该3D模型导入铸造CAE软件中；
(2-2)进行该3D模型的网格划分；
(2-3)将所选择的牌号的镍基高温合金的化学成分、热物性参数和铸造工艺参数以及包括模壳材料、模壳温度和厚度以及散热条件在内的边界条件输入铸造CAE软件，进行数值模拟；
(2-4)根据模拟结果确定镍基高温合金在铸造成部件的凝固过程中缺陷容易出现的位置；
(3)测试件铸造：按照铸造工艺参数进行测试件浇铸，并且在浇铸过程中连入3mm直径的软管，该软管一端连着惰性气体罐，另一端配接耐高温陶瓷头，通过耐高温陶瓷头向浇铸模具中通入惰性气体以产生气泡从而在铸造的测试件中引入气孔缺陷，通过控制气体流量、陶瓷头的位置和陶瓷头的方向并辅助X射线进行在线监测来控制气孔缺陷的尺寸和位置，确保在步骤(2-4)中确定的缺陷容易出现的位置引入了气孔缺陷，气孔缺陷的尺寸控制在5μm-1mm范围；
(4)对测试件存在气孔缺陷的部位进行取样，取样位置需覆盖步骤(2-4)中确定的缺陷容易出现的位置；
(5)将步骤(4)获得的样品在室温条件下进行拉伸测试直至断裂；
(6)将步骤(5)获得的断口制备成SEM样品，通过扫描电镜对该SEM样品进行形貌分析；
(7)使用EDS和WDS对步骤(5)获得的断口至少取5个位置点进行能谱和光谱分析；
(8)双氧化膜类型的缺陷的判定：
A)如果步骤(6)的扫描电镜观察到的断口相对平滑，并且参考所选择的牌号的镍基高温合金的标准成分含量，如果断口处O、Al和Cr含量明显高于非断口区域的O、Al和Cr含量，则判定存在双氧化膜类型的缺陷；
B)如果步骤(6)的扫描电镜观察到的断口包括大量裂纹，并且断口处的O、Al和Cr含量与非断口区域的O、Al和Cr含量没有明显区别，则判定不存在双氧化膜类型的缺陷。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述部件为涡轮叶片或机匣。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在步骤(2-3)中通过优化浇冒口的形式、大小和开设位置、合金浇铸温度、浇铸速度和模壳温度，重复模拟，直到模拟结果没有明显缺陷。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中在步骤(2-4)中结合使用Niyama判据与缩孔判据来分析铸件的缺陷。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中在步骤(3)中控制气孔缺陷的尺寸在5μm-1mm范围。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中在步骤(4)中，取样处的金属流动特性与部件本体特征结构保持一致，样品能够代表部件产品的微观组织特征。
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