某重型燃气轮机涡轮叶片表面开裂分析

目的 探究某重型燃气轮机涡轮叶片服役过程中表面裂纹的形成原因.方法 利用场发射扫描电子显微镜及能谱仪确定开裂叶片裂纹周围的显微组织及元素分布情况,揭示高温氧化导致的涂层外表面及涂层/叶片基体界面处的组织演变规律.结果 此叶片经高温长时间服役后,表面未发现热障涂层,抗氧化涂层是NiCoCrAlY涂层,主要显微组织为γ-Ni相+β-NiAl相;叶片基体材质为GTD-111镍基高温合金,主要显微组织为γ-Ni相+γ?-Ni3(Al,Ti)相及γ/γ?共晶组织和块状(Ti,Ta)C碳化物.表面裂纹主要集中于叶身与叶根的过渡平台位置.涂层内部、裂纹周围及涂层/叶片基体界面处均发现明显的金属氧化现象,氧化产物主要为金属Al和Cr的氧化物.高温服役环境下,铝元素的氧化导致涂层外表面的β-NiAl相及涂层/叶片基体界面位置的γ?-Ni3(Al,Ti)相向γ-Ni相转变,导致上述2位置的弱化.此外,截面形貌表明,在涂层表面位置,裂纹与凹坑相连接,并呈现向涂层内部扩展的态势,局部位置已贯穿抗氧化涂层,并扩展进入叶片基体.结论 由于高温氧化导致涂层表面Al含量的显著下降,富Al的β-NiAl强化相转变为γ-Ni相,在表面已存在凹坑的前提下,加之较大的应力集中于叶身与叶根过渡区域,导致涂层表面的开裂及向内的裂纹扩展.