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1、第xx卷 第x期中国材料进展Vol. x, No. xxxxx年 x月 Materials China x xxxx燃气涡轮叶片的服役损伤与修复冯强1,2收稿日期：2012-XX-XX基金项目：教育部支撑技术项目（625010337），国家高技术研究发展计划（SS2012AA030804），国家重点基础研究发展计划（2012CB631201），国家自然科学基金（51071016）*通讯作者：冯强，男，1969年生，教授，博士生导师，童锦艳1，郑运荣1，王美玲1，魏文娟2，赵海龙1，袁晓飞1，丁贤飞1（1.国家材料服役安全科学中心,北京科技大学，北京 100083 2.北京科技大学 新金属材料国
2、家重点实验室，北京 100083）摘要:涡轮叶片是燃气轮机最重要的热端部件之一。它长期在不均匀的温度场、应力场以及燃气腐蚀和高温氧化的环境下工作，面临着蠕变、低周疲劳和高温腐蚀等多种失效威胁。系统地研究涡轮叶片在服役过程中的组织损伤与性能退化规律是揭示其失效机理、探索适宜的恢复热处理工艺以延长涡轮叶片使用寿命的必然途径。本文总结目前已有的涡轮叶片服役损伤研究进行，同时结合本课题组对不同类型的涡轮叶片长期服役后（空中飞行时间：1,200h-20,000h）组织和性能损伤评估的研究结果，对存在的各种服役组织损伤形式进行归类和介绍，主要包括涂层的退化、拓扑密排相（TCP）的析出、二次反应区（SRZ）
3、的形成、g相的粗化与筏排化、碳化物的分解与析出、蠕变孔洞与裂纹的形成等。此外，本文总结了前人研究的服役涡轮叶片性能退化规律以及恢复热处理工艺。热端部件服役损伤的研究对燃气轮机关键部件的寿命管理/安全服役具有重要的指导意义和经济意义。关键词: 高温合金；服役；组织损伤；性能退化；恢复热处理Service Induced Degradation and Rejuvenation of Gas Turbine BladesFENG Qiang1,2*, TONG Jinyan1, ZHENG Yunrong1, WANG Meiling1, WEI Wenjuan2, ZHAO Hailong1，Y
4、UAN Xiaofei1, DING Xianfei1（1. National Center for Materials Service Safety, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China2. State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China）Abstract: Turbine blades are
5、one of the most important hot section components in gas turbine systems. They are subjected to complex combination of in-homogenous stresses and temperature distribution as well as high temperature corrosion and oxidation environment, resulting in failures caused by creep, low cycle fatigue and high
6、 temperature corrosion/oxidation. In order to understand failure mechanisms and develop proper rejuvenation heat-treatment to extend the life time of turbine blades, it is of great necessity to study the relationship between microstructure and mechanical property degradation of turbine blades during
7、 service. This paper is to review the previous studies associated with service induced degradation of turbine blades. Various kinds of typical microstructural degradations are also classified, combined with the investigation of microstructural degradation of different types of turbine blades in aero
8、-engines by our group (service time in air:1,200-20,000h, respectively). The following microstructural degradation is included: surface coating degradation, precipitation of Topologically Close-Packed Phases (TCPs), formation of second reaction zone (SRZ), coarsening and rafting of g phase, decompos
9、ition or precipitation of carbides, and initiation of creep cavities and cracks, etc. In addition, previous studies of mechanical property degradation and the rejuvenation heat-treatment of turbine blades are also summarized. It is suggested that the investigation of the mechanism for the service in
10、duced degradation of hot section components is of great importance and economic significance for the life management and materials safety in gas turbines.Key words: superalloys; service; microstructural degradation; property degradation; rejuvenation heat-treatment151 前言燃气轮机被广泛运用于航空航天、舰船、能源和交通等工业和军事
11、领域，它的设计制造水平代表一个国家的工业技术和国防实力1。近20年的多场局部战争已证明，装配有先进燃气涡轮发动机的航空武器已经成为局部战争胜负的关键；而先进工业燃气轮机（Industry Gas Turbine, 简称IGT）的应用是当前高效利用能源、减少污染的最佳选择。此外，燃气轮机较长的产业链，对国民经济的发展具有巨大的带动和促进作用。目前，我国燃气轮机的设计、制造水平相对欧美发达国家比较落后，尤其是IGT方面，更为落后。全行业整体较国际先进水平落后30-40年，实际使用的工业产品仍然主要依赖仿制或进口2。为了提高我国涡轮燃气轮机的设计和制造水平，首先需要形成完善的相关材料工艺基础研发体系
12、和服役评估标准。在我国军用航空发动机机械断裂事故中，转动部件导致的失效事故占80%以上3。转动部件中的涡轮转子叶片所处服役环境最为苛刻，其失效事故中一半是由于转子叶片失效导致4。因此，涡轮转子叶片是涡轮燃气轮机服役安全领域研究的一项重要内容。下文中所提到的涡轮叶片或叶片均指涡轮转子叶片。涡轮叶片的失效方式一般分为正常失效和非正常失效两种。正常失效中的叶片损伤包括由磨损、掉块、内裂等构成的表观损伤和内部冶金组织损伤两类。其中，内部冶金组织损伤是指叶片在低于规定使用温度和应力的服役环境下发生的诸如g相粗化、晶界及晶界碳化物形貌的变化、脆性相生成等显微组织的变化。导致的主要失效形式是蠕变，同时还有高
13、温腐蚀、热疲劳和低周疲劳及其交互作用等5-7。非正常失效是指由于叶片设计不当、制备缺陷或人员操作不当引起的失效行为，主要表现为高周疲劳、超温服役引起的过热甚至过烧等失效形式3, 8。西方发达国家经过几十年长期系统的研究，其燃气轮机的设计和制造水平非常先进，运行和维修管理已形成规范，大多数涡轮叶片的失效方式为正常失效方式，即蠕变损伤和蠕变-疲劳交互作用导致的失效。早在上世纪五、六十年代，西方发达国家通过产学研部门分工合作，开始对叶片材料的损伤机理与性能退化展开研究6, 9。上世纪七、八十年代，进一步针对服役后涡轮叶片的组织损伤与性能退化规律及其相互关系进行了系统性研究，所研究的涡轮叶片主要为IG
14、T和航空发动机中服役条件最为苛刻的高压涡轮叶片10-12。基于这些研究工作，他们还针对服役后叶片的恢复热处理工艺展开了大量研究，并取得了较好的效果13-18。在最近三十年内，西方发达国家已经开展了大量的叶片寿命预测研究工作19-23，期待充分发挥叶片的服役潜能，以获得巨大的技术经济效益，如瑞典空军通过采用可靠性与寿命预测技术，已节省高达1亿美金的开支21。尽管国外很早就对涡轮叶片损伤规律进行研究，但出于对关键技术的保密和军事及经济利益的考虑，其公开报道非常有限，且所涉及的材料种类较少。而在已公开的报道中，仅限于对叶片服役后的组织观察和剩余性能测试，未对组织损伤与性能退化之间关系的深入研究，且不
15、涉及叶片服役损伤的机理性分析。目前，我国燃气轮机涡轮叶片的失效多属于非正常失效8，而提高设计和制造水平是短期内解决叶片失效的关键手段。从长期来看，随着设计、制造和操作水平的不断提高，正常服役状态下发生的组织性能损伤（主要表现为蠕变以及蠕变-疲劳交互作用下的性能退化）将成为涡轮叶片寿命的主要限制因素。当前，我国军用航空发动机的翻修期和发动机总寿命分别仅为美国同类型发动机的1/2和1/4 24，成为严重影响我军战斗力的制约因素。然而，我国对于涡轮叶片服役损伤的研究工作现多停留在叶片故障引起的失效分析上，远未开展其服役组织损伤机理和性能退化规律的系统性研究工作。因此，深入地研究叶片的服役损伤规律，建
16、立服役叶片的损伤组织与退化性能之间的定量关系，准确预测服役叶片的剩余寿命从而预防灾难性的事故发生，将成为涡轮燃气轮机领域一项至关重要的、长期而艰巨的科研任务。本文在总结和借鉴已有的涡轮叶片服役损伤与恢复相关研究报道的基础上，结合作者所做的研究工作，具体介绍了服役过程中涡轮叶片的服役环境特点、主要的组织损伤形式和性能退化特点及其相关服役评价方法等。同时，也介绍了恢复热处理工艺在修复服役叶片中的工业应用。上述研究需要政产学研用等部门的通力合作，才有可能加速缩短与国外的差距，实现从燃气轮机服役叶片失效后的再分析向“积极防御”的转变（即在正常服役状态下通过组织损伤分析预防灾难的发生），以服务于国民经济发展和国防工业发展的重大需求。2涡轮叶片的损伤及其探测方法
