摘 要:采用通道式合金分析儀、光學(xué)顯微鏡、拉伸和沖擊試驗(yàn)機(jī)、掃描電子顯微鏡等分析了預(yù)啟閥閥碟的化學(xué)成分、顯微組織、力學(xué)性能以及斷口宏觀和微觀形貌,并結(jié)合預(yù)啟閥閥碟現(xiàn)場工況條件對(duì)其開裂原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:由于該預(yù)啟閥閥碟韌性和塑性較差,從而導(dǎo)致其在與止轉(zhuǎn)銷接觸面承受較大脹緊力處發(fā)生脆性開裂;裂紋起源于閥碟與止轉(zhuǎn)銷接觸的內(nèi)表面中心處,材料內(nèi)部的密集孔洞連接形成最初的微裂紋,晶界析出的碳化物使得材料整體抗裂紋擴(kuò)展能力變差,裂紋隨后發(fā)生快速擴(kuò)展并彼此連接成大裂紋,最終導(dǎo)致閥碟開裂失效.

２０１７年,遼寧某電廠在檢修期間發(fā)現(xiàn),中壓調(diào)速汽門預(yù)啟閥閥碟開裂失效.中壓缸進(jìn)汽閥設(shè)計(jì)為兩臺(tái)聯(lián)合汽門,聯(lián)合汽門由中壓調(diào)速汽門和中壓主汽門合并在一個(gè)閥殼內(nèi),雖然它們利用一個(gè)共同的閥殼,但這兩個(gè)汽門的功能是不同的,各自有獨(dú)立的操作控制裝置.中壓調(diào)速汽門設(shè)計(jì)獨(dú)立的閥碟組件,主閥碟內(nèi)部設(shè)有預(yù)啟閥,在閥門開啟時(shí)降低主閥碟前后壓差,減小閥門開啟力.對(duì)中壓調(diào)速汽門進(jìn)行解體檢查,發(fā)現(xiàn)閥桿輕微積存氧化皮,襯套完好無斷裂,拆除閥蓋后吊出預(yù)啟閥,可見預(yù)啟閥止轉(zhuǎn)銷截面存在明顯裂紋,如圖１所示,已不能滿足正常使用要 求.失效中壓調(diào)速汽門基本參數(shù)見表１;開裂閥碟材料是汽輪機(jī)用 GH９０１ 高溫合金,閥碟直徑是２９０mm;銷子材料是２Cr１２NiMo１W１V 鋼,直徑是８５mm.為查明該預(yù)啟閥閥碟開裂失效原因,筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析,并提出了改進(jìn)措施.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 宏觀分析

由圖１可見 ,止轉(zhuǎn)銷和閥碟結(jié)合比較緊密,從裂紋未貫穿一側(cè)沿橫截面方向機(jī)加工切開,打開裂紋貫穿一側(cè)斷口,發(fā)現(xiàn)斷口和止轉(zhuǎn)銷接觸面存在脫落的氧化皮.由圖２可見:斷口表面顏色呈灰黑色,兩斷裂面嚙合性好,無明顯塑性變形;斷面明顯可分為３個(gè)區(qū)域,即 A區(qū)纖維區(qū),B區(qū)放射區(qū),C區(qū)剪切唇區(qū);其中B區(qū)有明顯的放射狀條紋,屬于典型的脆性斷口,放射狀條紋發(fā)射的反方向指向裂紋源,即 A區(qū).

１．２ 化學(xué)成分分析

分別從閥碟近表面和中心部位取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表２.對(duì)止轉(zhuǎn)銷取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表３.

中國航空材料手冊(cè)»(第２版)第２卷[１]對(duì) GH９０１ 材料成分的要求,閥碟表面和心部的化學(xué)成分均符 合該手冊(cè)技術(shù)要求.止轉(zhuǎn)銷化學(xué)成分分析結(jié)果滿足 GB/T ８７３２ － ２００４ «汽 輪 機(jī) 葉 片 用 鋼 »對(duì) ２Cr１２NiMo１W１V 鋼成分的技術(shù)要求. １．３ 力學(xué)性能試驗(yàn) 分別從閥碟和閥桿處取拉伸、沖擊試樣進(jìn)行力 學(xué)性能檢測(cè),取樣位置見圖 ３ 和圖 ４,試驗(yàn)結(jié)果見 表４和表５.

１．３．１ 拉伸試驗(yàn)

由表４拉伸試驗(yàn)結(jié)果可見:閥碟近表面及中心位置材料斷后伸長率很低,材料斷裂時(shí)無明顯塑性變形;閥桿的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均高于閥碟的,但仍不符合«中國航空材料手冊(cè)»對(duì) GH９０１高溫合金材料的技術(shù)要求.

１．３．２ 沖擊試驗(yàn)

由表５沖擊試驗(yàn)結(jié)果可見:閥碟近表面、中心位置及閥桿的沖擊吸收能量都很低,均不符合«中國航空材料手冊(cè)»對(duì) GH９０１高溫合金材料的技術(shù)要求.

１．４ 金相分析

對(duì)閥碟斷口面取樣進(jìn)行金相分析,金相取樣位置為圖２中２號(hào)試樣的縱截面和３號(hào)試樣的橫截面,草酸水溶液電解侵蝕,金相分析結(jié)果見圖５和圖６.

由圖５和圖６可見:閥碟材料的顯微組織主要為奧氏體和晶間碳化物;對(duì)２號(hào)試樣的晶粒尺寸進(jìn)行測(cè)量,晶粒度等級(jí)為２級(jí);對(duì)３號(hào)試樣拋光態(tài)形貌進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)有大量的孔洞.

圖７ A區(qū)斷口SEM 形貌

Fig.７ SEM morphologyoffracturesurfaceofzoneA

１．５ 掃描電鏡分析

掃描電鏡(SEM)取樣位置為圖２中的 A 區(qū),掃描電鏡分析結(jié)果見圖７和圖８.

閥碟 A 區(qū)斷口上存在大量孔洞,見圖７.部分孔洞已經(jīng)連接成線,見圖８a);部分孔洞以孤立的點(diǎn)存在,見圖８b),孔洞直徑在２０~１００μm.斷口上沒有觀察到明顯的疲勞斷裂特征.

２ 綜合分析

閥碟開裂面與閥碟軸向基本垂直.斷口表面無明顯塑性變形,存在放射狀條紋,條紋指向表明裂紋起源于閥碟與止轉(zhuǎn)銷接觸面.閥碟近表面及中心位置化學(xué)成分符合«中國航空材料手冊(cè)»對(duì) GH９０１高溫合金材 料 的 技 術(shù) 要 求,止 轉(zhuǎn) 銷 化 學(xué) 成 分 亦 滿 足GB/T８７３２－２００４對(duì) ２Cr１２NiMo１W１V 鋼 成 分 的技術(shù)要求.閥碟材料力學(xué)性能差,抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率以及沖擊吸收能量均不符合«中國航空材料手冊(cè) »對(duì)GH９０１高 溫 合 金 材 料 的 技 術(shù) 要 求 .表 明 閥碟材料塑性和沖擊韌性差,缺口敏感性大,易發(fā)生脆性開裂.對(duì)閥碟材料進(jìn)行金相分析,觀察到碳化物有在晶界處大量聚集現(xiàn)象且材料內(nèi)部存在較多孔洞等缺陷,此為材料變脆的主要原因.由掃描電鏡觀察結(jié)果可知,閥碟斷口表面存在很多孔洞等微觀缺陷,孔洞直徑在２０~１００μm,有些孔洞已連接發(fā)展成微裂紋,有些孔洞還未連接.

３ 結(jié)論及建議

(１)閥碟開裂失效是由于閥碟與止轉(zhuǎn)銷接觸面的斷裂韌度過低,以及閥碟與止轉(zhuǎn)銷接觸面承受的脹緊力相互作用,從而導(dǎo)致閥碟發(fā)生脆性開裂.

(２)裂紋起源于閥碟與止轉(zhuǎn)銷接觸的內(nèi)表面中心處,材料內(nèi)部的密集孔洞連接形成最初的微裂紋,晶界析出的碳化物使得材料整體抗裂紋擴(kuò)展能力變差,裂紋隨后發(fā)生快速擴(kuò)展并彼此連接成大裂紋,最終導(dǎo)致閥碟開裂.

(３)材料內(nèi)部孔洞可能是材料在鑄造階段產(chǎn)生的,鍛造過程中由于鍛造壓縮比不足而沒有被消除;也可能是材料在高的脹緊力作用下而產(chǎn)生的蠕變孔洞[２Ｇ４].

(４)建議在生產(chǎn)時(shí),優(yōu)化閥碟鍛造工藝,控制鍛造壓縮比在合理的范圍之內(nèi);在使用時(shí),閥碟和止轉(zhuǎn)銷應(yīng)選擇同種材料來防止接觸面處產(chǎn)生脹緊力.