汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鋼常溫與600℃超高周疲勞行為研究

侯　方，李久楷，謝少雄，劉永杰，王清遠(yuǎn)，，張軍暉

（1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都610065；2.四川大學(xué)空天科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610065；3.上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機(jī)廠，上海200240）

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汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鋼常溫與600℃超高周疲勞行為研究

侯方1，李久楷1，謝少雄2，劉永杰1，王清遠(yuǎn)1，2，張軍暉3

（1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都610065；2.四川大學(xué)空天科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610065；3.上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機(jī)廠，上海200240）

摘要：利用自主研發(fā)的高溫超聲疲勞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展CrMoW轉(zhuǎn)子鋼常溫及600℃下的超高周疲勞實(shí)驗(yàn)。為新型超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子提供高溫超高周疲勞數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明高溫會(huì)極大降低轉(zhuǎn)子鋼的疲勞強(qiáng)度。S-N曲線在常溫及600℃下均呈現(xiàn)連續(xù)下降型，且600℃下S-N曲線在整個(gè)疲勞壽命周次內(nèi)保持一定下降趨勢。斷口分析發(fā)現(xiàn)，常溫下疲勞壽命＞107周次試件的疲勞裂紋以內(nèi)部萌生為主，600℃下疲勞破壞的內(nèi)部夾雜萌生方式與表面萌生方式均分布于整個(gè)疲勞壽命。夾雜物尺寸分析表明，高溫降低疲勞裂紋內(nèi)部萌生夾雜物的臨界尺寸。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鋼；超高周疲勞；高溫；非金屬夾雜物

0　引言

新型超超臨界汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子在30年服役期內(nèi)要在高溫環(huán)境下承受高達(dá)4×1010周次低應(yīng)力疲勞載荷作用。已有研究發(fā)現(xiàn)[1]，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在服役多年之后，高溫低應(yīng)力區(qū)的疲勞損傷遠(yuǎn)大于低溫高應(yīng)力區(qū)，長期高溫交變循環(huán)載荷對(duì)轉(zhuǎn)子鋼的疲勞性能會(huì)產(chǎn)生較大影響。用于制造超超臨界汽輪機(jī)組高壓轉(zhuǎn)子的CrMoW轉(zhuǎn)子鋼是在9%Cr1Mo鋼的基礎(chǔ)上添加W元素形成的新型耐熱鋼，其最高使用溫度為610℃，具有良好的淬透性、斷裂韌性、抗疲勞破壞性及在長期高溫狀況下良好的組織穩(wěn)定性。已有學(xué)者對(duì)該材料微觀組織以及疲勞斷裂力學(xué)方面進(jìn)行了研究。吳海利等[2]研究其室溫低周疲勞特性。趙鵬等[3]研究了該材料在蠕變疲勞載荷下的棘輪效應(yīng)。目前，國內(nèi)外對(duì)轉(zhuǎn)子鋼疲勞研究主要集中在低周疲勞[4-6]，高周疲勞的研究報(bào)道很少。因此，很有必要研究CrMoW轉(zhuǎn)子鋼在高溫環(huán)境下的超高周疲勞性能。

傳統(tǒng)疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)受到實(shí)驗(yàn)時(shí)間和費(fèi)用的限制，很難開展108周次以上的疲勞實(shí)驗(yàn)。使用超聲疲勞實(shí)驗(yàn)是開展1010周次的疲勞實(shí)驗(yàn)?zāi)壳拔ㄒ豢尚械姆绞健Ｒ延卸嗥墨I(xiàn)[7-9]利用超聲疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)不同種類的材料進(jìn)行了超高周疲勞研究，結(jié)果驗(yàn)證了超聲疲勞加速試驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性和可靠性。基于超超臨界汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子工作溫度為600℃，本文在自主搭建的高溫超聲疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)上完成了CrMoW轉(zhuǎn)子鋼在室溫和600℃下的超高周疲勞實(shí)驗(yàn)，得到了CrMoW轉(zhuǎn)子鋼在工作溫度下的超高周疲勞性能，并討論了高溫及夾雜物對(duì)疲勞性能的影響。

1　實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用轉(zhuǎn)子鋼為新研制的馬氏體CrMoW轉(zhuǎn)子鋼，其化學(xué)成分與基本力學(xué)性能分別列出于表1、表2中。圖1為轉(zhuǎn)子鋼在光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡下的微觀組織圖?？煽吹睫D(zhuǎn)子剛的微觀組織為高溫回火馬氏體，馬氏體板條寬度分布于0.2～2 μm間。馬氏體是由奧氏體經(jīng)過熱處理轉(zhuǎn)換，仍可觀察到原奧氏體晶界，晶粒尺寸約為80μm。在原奧氏體晶界和馬氏體板條界上分布著大量顆粒狀析出物（圖1（a）中黑點(diǎn)、圖1（b）中白點(diǎn)），該彌散析出相沉淀于奧氏體晶界與馬氏體板條界，起釘扎位錯(cuò)、穩(wěn)定板條界面及亞晶界的作用，可有效提高材料的高溫蠕變強(qiáng)度。

常溫實(shí)驗(yàn)在島津USF-2000超聲疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)上完成。實(shí)驗(yàn)中，采用間歇振動(dòng)加載，并用壓縮冷干空氣對(duì)試件進(jìn)行冷卻。高溫實(shí)驗(yàn)在自主搭建的超聲高溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上完成，該系統(tǒng)由超聲疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)、試件加熱裝置、測溫裝置3部分組成，實(shí)驗(yàn)加熱裝置為定制高頻感應(yīng)加熱器，其示意圖如圖2所示。高溫超聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的詳細(xì)描述可見文獻(xiàn)[10]。圖3為常溫及高溫試件的設(shè)計(jì)圖，試件設(shè)計(jì)頻率為20.00 kHz，并通過有限元軟件驗(yàn)證。因加工誤差，常溫試件實(shí)測頻率為19.98kHz，高溫試件實(shí)測頻率為20.03kHz。

表1　材料化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)　%

表2　材料力學(xué)性能

圖1　CrMoW轉(zhuǎn)子鋼微觀組織結(jié)構(gòu)

圖2　高溫超聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2　高溫實(shí)驗(yàn)應(yīng)力比計(jì)算

圖3　超聲實(shí)驗(yàn)試件（單位：mm）

根據(jù)超聲實(shí)驗(yàn)機(jī)原理[11]，試件中部應(yīng)力值實(shí)際是由試件末端位移幅值乘以位移應(yīng)力系數(shù)Cs得到，實(shí)驗(yàn)中通過實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制試件末端位移幅值來間接控制實(shí)驗(yàn)應(yīng)力。試件位移應(yīng)力系數(shù)為

式中：β——與試件尺寸及聲學(xué)性能相關(guān)的參數(shù)；

Ed——彈性模量；

φ（L1，L2）——試件相關(guān)幾何尺寸的函數(shù)。

式（1）在數(shù)學(xué)推導(dǎo)中，假定彈性模量Ed為常數(shù)。對(duì)于常溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，能滿足彈性模量為常數(shù)的條件。但對(duì)于高溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境，試件在感應(yīng)加熱下的溫度并非均勻分布，而彈性模量與溫度相關(guān)。因此，高溫環(huán)境下試件的彈性模量不再是一個(gè)常數(shù)，通過式（1）將不能得到精確的位移應(yīng)力系數(shù)。由表2可知，實(shí)驗(yàn)溫度下試件彈性模量有34%的下降，有必要得到更精確的位移應(yīng)力系數(shù)。

通過文獻(xiàn)[12]中的方法得到了材料彈性模量與溫度間的關(guān)系為

由紅外測溫儀得到試件在高溫實(shí)驗(yàn)下的溫度分布（見圖4），將溫度數(shù)據(jù)代入式（2）可得到試件上各處的彈性模量值。因試件為對(duì)稱圖形，通過有限元軟件ANSYS建立1/4模型，采用SOLID43單元，劃分單元數(shù)為13 680，將彈性模型值分別賦予對(duì)應(yīng)的單元，計(jì)算分析可得高溫下的應(yīng)力位移系數(shù)。結(jié)果顯示，通過有限元分析修正后的應(yīng)力位移系數(shù)與由公式計(jì)算得到的值相差5.5%。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1S-N曲線對(duì)比

圖5為轉(zhuǎn)子剛在室溫和600℃下的超聲疲勞S-N曲線。其中實(shí)心符號(hào)表示裂紋從內(nèi)部夾雜處萌生，空心符號(hào)代表裂紋萌生于表面。箭頭標(biāo)示數(shù)據(jù)點(diǎn)表示試件循環(huán)至1010周次后仍未斷裂。室溫與600℃下的S-N曲線整體呈現(xiàn)連續(xù)下降型，S-N曲線下降趨勢在5×107周次附近存在一個(gè)分界點(diǎn)。常溫S-N曲線的下降趨勢先急后緩，600℃下則恰好相反。試件循環(huán)周次在109后仍會(huì)發(fā)生斷裂，不存在傳統(tǒng)意義的疲勞極限。

圖4　高溫實(shí)驗(yàn)試件溫度分布

圖5　S-N曲線

常溫與600℃下材料在1010循環(huán)周次的疲勞強(qiáng)度分別為450 MPa和110 MPa，疲勞強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度的比值分別為0.50和0.20。高溫下的疲勞強(qiáng)度與其對(duì)應(yīng)的拉伸強(qiáng)度比值不具有常溫下的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，表明高溫對(duì)轉(zhuǎn)子剛的疲勞性能有很大的影響。根據(jù)600℃下的S-N曲線，疲勞強(qiáng)度會(huì)隨著循環(huán)周次的增加進(jìn)一步下降，這與主觀認(rèn)識(shí)一致。隨著循環(huán)周次的增加，材料因高溫氧化造成的損傷會(huì)逐漸累積，同時(shí)表面氧化層容易在循環(huán)加載中產(chǎn)生裂紋。因此，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意缺少高溫疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的材料。

從裂紋萌生位置來看，常溫與600℃下循環(huán)周次在高周（105～107）及超高周（＞107）范圍均存在兩種裂紋萌生方式，即表面萌生與內(nèi)部夾雜處萌生。常溫下，試件疲勞壽命在高周范圍內(nèi)裂紋多萌生于試件表面，表面萌生比例占全部試件的85%，而超高周范圍下以內(nèi)部萌生為主，表面萌生僅占15%。600℃下，裂紋萌生方式則均勻分布于整個(gè)疲勞壽命，表面萌生占55%，在高溫超聲實(shí)驗(yàn)的材料中首次發(fā)現(xiàn)這種萌生特征。

3.2斷口對(duì)比分析

常溫與600℃下疲勞裂紋均存在兩種萌生方式，圖6（a）與圖6（b）為表面萌生特征對(duì)比，可明顯的看出，高溫下裂紋萌生區(qū)比常溫下更粗糙，且呈放射脊?fàn)钐卣?。高溫下，裂紋會(huì)從塑性較差的表面氧化層萌生，使內(nèi)部材料暴露于空氣，高溫促使材料中的活躍金屬元素與空氣中的氧氣迅速發(fā)生反應(yīng)從而形成多個(gè)裂紋易萌生區(qū)，裂紋從這些區(qū)域萌生，并在之后的擴(kuò)展中與不同平面的裂紋融合，最終形成放射脊?fàn)钐卣鳌３叵聞t不同，內(nèi)外材料性能幾乎一致，氧氣也不易與金屬元素反應(yīng)。此外，氧氣與內(nèi)部材料形成的氧化物也會(huì)使得高溫下裂紋萌生區(qū)看起來更加粗糙。

對(duì)比圖6（c）與圖6（d）可發(fā)現(xiàn)，常溫與高溫下魚眼特征基本一致，在夾雜物周圍有FGA（fine granular area）區(qū)存在。內(nèi)部萌生試件中夾雜物大多以團(tuán)簇形式存在，通過能譜分析表明非金屬夾雜物是三氧化二鋁，見圖7。

圖6　常溫及600℃下典型裂紋萌生

圖8展示了常溫與600℃下裂紋在穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)典型的疲勞條紋特征，裂紋在兩種實(shí)驗(yàn)環(huán)境下均以穿晶形式擴(kuò)展。高溫并沒有改變裂紋在穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)的擴(kuò)展方式。但常溫下的疲勞條紋遠(yuǎn)沒有600℃下清晰，且常溫裂紋擴(kuò)展區(qū)出現(xiàn)明顯的二次裂紋。高溫提高了材料的塑性，緩解了裂紋擴(kuò)展中裂紋的應(yīng)力集中，由此不易出現(xiàn)二次裂紋。更好的塑性和氧化作用，使600℃下的疲勞裂紋更加粗糙。

3.3金屬夾雜物分析

基于以上分析，轉(zhuǎn)子剛中存在的夾雜物易成為疲勞裂紋的萌生點(diǎn)，且內(nèi)部萌生裂紋不易被發(fā)現(xiàn)，應(yīng)盡量消除。在鋼材冶煉過程中，基于某些特定的工藝，其內(nèi)部的非金屬夾雜物不可避免。圖9為夾雜尺寸與壽命間的關(guān)系，夾雜物尺寸為夾雜物面積的平方根。常溫下夾雜物的尺寸隨著壽命增加而呈現(xiàn)下降的趨勢，夾雜物尺寸的范圍為19～40μm，90%的夾雜物介于19～35μm間。600℃下，夾雜物尺寸與疲勞壽命呈線性遞增關(guān)系，夾雜物尺寸介于10～40μm。有研究表明[13]，裂紋萌生的夾雜物尺寸存在一個(gè)臨界值，圖8表明高溫條件下，疲勞裂紋內(nèi)部萌生的臨界夾雜物尺寸，比常溫條件下臨界夾雜物尺寸小。

圖7　夾雜物及成分分析

圖8　常溫及600℃典型裂紋擴(kuò)展

ΔKinc為內(nèi)部萌生試件夾雜應(yīng)力強(qiáng)度因子變化范圍，圖10為常溫及600℃下ΔKinc隨疲勞壽命的變化，其計(jì)算公式為

式中：σa——夾雜處應(yīng)力幅值；

areainc——夾雜物面積。

可以觀察到常溫下ΔKinc隨著疲勞壽命的增加而減小，且呈現(xiàn)一定線性規(guī)律，這與常溫超聲實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論一致[14]。但600℃下ΔKinc呈一條直線，不受疲勞壽命變化的影響，所呈現(xiàn)的規(guī)律與常溫下有很大的區(qū)別，值得深入探討。

在常溫高應(yīng)力作用下，表面形成的滑移帶易成為裂紋萌生點(diǎn)，此時(shí)裂紋從內(nèi)部夾雜萌生的門檻值較高，只有夾雜物達(dá)到一定尺寸時(shí)裂紋才會(huì)從該處萌生。隨著循環(huán)應(yīng)力的減小，表面滑移帶形成裂紋源需要更多的循環(huán)周次。當(dāng)應(yīng)力減小到一定值，在1010循環(huán)周次內(nèi)表面不能形成裂紋源，裂紋萌生于內(nèi)部夾雜物。相應(yīng)內(nèi)部夾雜處裂紋萌生的門檻值逐漸降低（見圖10）。

在高溫環(huán)境下，試件表面因氧化而易成為裂紋的萌生處，且高溫和氧氣對(duì)材料的損傷隨著周次的增加而逐漸增大，高溫會(huì)增加裂紋從表面萌生的概率。但同時(shí)，表面萌生裂紋向內(nèi)部擴(kuò)展時(shí)會(huì)因內(nèi)外材料性能的差異受到限制。此外，由圖9可知高溫降低了內(nèi)部萌生的夾雜物臨界尺寸，增加了裂紋從內(nèi)部萌生的機(jī)率。結(jié)合600℃下的ΔKinc和S-N曲線的特征可推測，裂紋的內(nèi)部夾雜萌生方式與表面萌生方式的概率相差不大，高溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境下裂紋萌生機(jī)理并不隨疲勞壽命發(fā)生變化。

圖9　常溫及600℃夾雜物尺寸隨疲勞壽命的變化

圖10　常溫及600℃下ΔKinc隨疲勞壽命的變化

4　結(jié)束語

本文通過超聲疲勞方法研究了CrMoW轉(zhuǎn)子鋼在常溫及600℃下的1010超高周疲勞性能，并結(jié)合斷口電鏡圖分析了高溫環(huán)境及夾雜物對(duì)試件疲勞性能的影響，主要結(jié)論如下：

1）CrMoW轉(zhuǎn)子鋼在常溫及600℃應(yīng)力循環(huán)109周次后仍會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，不存在傳統(tǒng)疲勞極限，疲勞壽命Nf=1010的疲勞強(qiáng)度分別為450MPa和110MPa。

2）常溫與600℃下均發(fā)現(xiàn)了裂紋萌生于材料內(nèi)部夾雜的現(xiàn)象。常溫高周及超高周下疲勞破壞以內(nèi)部萌生為主。600℃下，疲勞裂紋表面及內(nèi)部夾雜兩種萌生方式均勻分布于整個(gè)疲勞壽命。

3）高溫降低了裂紋內(nèi)部萌生夾雜物的臨界尺寸，夾雜物尺寸隨著疲勞壽命升高而增大。

參考文獻(xiàn)

[1]嚴(yán)益民，胡正飛，林富生，等.汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子30Cr1Mo1V鋼長期服役狀態(tài)下的高溫疲勞行為[J].材料工程，2012（11）：38-41.

[2]吳海利，朱月梅，賈國慶. X12CrMoWVNbN10-1-1轉(zhuǎn)子鋼室溫低周疲勞特性[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（7）：841-455.

[3]趙鵬，軒福貞，涂善東.超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子X12CrMoWVNbB 10-1-1鋼棘輪效應(yīng)的試驗(yàn)研究[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2010，30（4）：309-312.

[4]陳薦，何建軍，孫清民，等.加載速率對(duì)30Cr1Mo1V汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鋼低周疲勞特性的影響[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2010，3 （9）：711-714.

[5]毛雪平，馬志勇，王罡，等. 30Cr1Mo1V鋼高溫低周疲勞中的軟化特性[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（16）：133-136.

[6] BARELLA S，BELLOGINI M，BONIARDI M，et al. Failure analysis of a steam turbine rotor[J]. Engineering Failure Analysis，2011，18（6）：1511-1519.

[7] WANG Q Y，BERARD J Y，DUBARRE A，et al. Gigacyclefatigueof ferrous alloys[J]. Fatigue Fracture Engineering Materials Structures，2003，22（8）：667-672.

[8] EBARA R. The present situation and future problems in ultrasonic fatigue testing-mainly reviewed on environmental effects and materials' screening[J]. International Journal of Fatigue，2006，28（11）：1465-1470.

[9] STANZL-TECHEGG S. Very high cycle fatigue measuring techniques[J]. International Journal of Fatigue，2014，60 （1）：12-17.

[10]李久楷，劉永杰，王清遠(yuǎn)，等. TC17鈦合金高溫超高周疲勞實(shí)驗(yàn)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2014，29（7）：1567-1572.

[11]王清遠(yuǎn).超聲加速疲勞實(shí)驗(yàn)研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2002，34（3）：6-11.

[12] WAGNER D，CAVALIERI F J，BATHIAS C，et al. Ultrasonic fatigue tests at high temperature on an austenitic steel[J]. Propulsion and Power Research，2012，1（1）：29-35.

[13]楊振國，李守新，李廣義，等.高周疲勞條件下高強(qiáng)鋼臨界夾雜物尺寸估算[J].金屬學(xué)報(bào)，2005（11）：1136-1142.

[14] SHIOZAWAK，LUL，ISHIHARAS. S-Ncurve characteristic and subsurface crack initiation behaviour in ultra-long life fatigue of a high carbon-chromium bearing steel [J]. Fatigue &Fracture of Engineering Materials & Stru，2001（24）：781-790.

（編輯：李妮）

Very high cycle fatigue behavior of rotor steel for the steam turbine under room temperature and 600℃

HOU Fang1，LI Jiukai1，XIE Shaoxiong2，LIU Yongjie1，WANG Qingyuan1，2，ZHANG Junhui3
（1. College of Architecture and Environment，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2. School of Aeronautics and Astronautics，Sichuan University，Chengdu 610065，China；3. Shanghai Electric Power Generation Equipment Co.，Ltd.，Shanghai Turbine Plant，Shanghai 200240，China）

Abstract:Very high cycle fatigue tests on CrMoW rotor steel at room temperature and 600℃were conducted by using an autonomous development system. Experimental results display that high temperature will largely degrade fatigue performance. The S-N curves at room temperature and 600℃both present continuously descending and keep a certain downtrend in the whole fatigue life namely 1010cycles. Fractograph of specimens show that the fatigue cracks are primarily generated from inside where the fatigue life is more than 1×107cycles under room temperature. It is found that the surface initiation mode and the inclusion initiation mode are uniformly distributed in the whole fatigue life. The study on inclusion size reveals that the critical size of the inclusions in inclusion initiation mode is decreased due to high temperature.

Keywords:steam turbine rotor steel；very high cycle fatigue；high temperature；nonmetallic inclusion

通訊作者：王清遠(yuǎn)（1965-），男，重慶市人，教授，博導(dǎo)，主要從事新型材料與結(jié)構(gòu)力學(xué)、超長壽命疲勞與可靠性等研究。

作者簡介：侯方（1990-），男，陜西漢中市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)榻饘俪咧芷谛袨榕c斷裂機(jī)理。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（11172188，11327801，11502151）

收稿日期：2015-10-27；收到修改稿日期：2015-11-30

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.002

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2016）02-0009-06