鄧 帆 張德清 羅 磊 胡 俊

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200240)

核主泵葉輪長(zhǎng)期處于高溫高壓高腐蝕的惡劣工況之下，在實(shí)際工作中常常會(huì)發(fā)生腐蝕性應(yīng)力開(kāi)裂，給核電站的安全運(yùn)行造成了巨大的影響[1]。核主泵葉輪通常是用奧氏體不銹鋼材料，通過(guò)數(shù)控加工而成。由于核主泵葉輪的工作性能和復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)要求，要得到很好的表面加工質(zhì)量，數(shù)控加工工藝的合理規(guī)劃至關(guān)重要。以核主泵葉輪最容易發(fā)生腐蝕開(kāi)裂的根部作為研究對(duì)象，通過(guò)選用UG里面的七種基本加工軌跡，對(duì)于七個(gè)不同葉片的根部進(jìn)行最終的精加工。比較最終的加工表面質(zhì)量并制備U型彎件進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了不同加工軌跡與應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)張的內(nèi)在聯(lián)系。

1 葉輪數(shù)控加工工藝規(guī)劃

對(duì)于UG中建好的葉輪模型(如圖1所示)，劃分為粗加工、半精加工和精加工三個(gè)加工階段。

圖1 葉輪模型

在葉輪流道的粗加工中，考慮到去除量大等原因，選用了 D10的平底銑刀，采用型腔銑的方法進(jìn)行開(kāi)槽。對(duì)葉輪流道的半精加工，主要是為精加工做好鋪墊。而在對(duì)葉輪流道和葉片的精加工中需要盡可能地保證表面加工質(zhì)量，因此選用了D6R3球頭銑刀，采用可變輪廓銑中的曲面驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行加工。

葉輪流道的清根處理需要采用較小直徑的球頭銑刀對(duì)過(guò)渡區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)加工，以清除根部的殘余余量。同樣選用6R3球頭銑刀，對(duì)于七個(gè)不同葉片的根部，采用了七種不同的基本加工軌跡進(jìn)行刀具軌跡的規(guī)劃，見(jiàn)表 1。由于加工不銹鋼存在著切削力大、切削溫度高、加工硬化嚴(yán)重、容易粘刀和刀具磨損快等特點(diǎn)，于是選取了加含氯成分高的切削液[2]。精加工階段的每個(gè)加工區(qū)域要用一把新的刀具進(jìn)行加工，以避免因刀具磨損后影響加工質(zhì)量和試驗(yàn)結(jié)果。

表1 葉輪根部刀具軌跡

2 葉輪數(shù)控加工試驗(yàn)

葉輪數(shù)控加工試驗(yàn)是在DMU50五軸立式加工中心上進(jìn)行的。粗加工時(shí)采用的主軸轉(zhuǎn)速為4000 r/min，進(jìn)給速度為 280mm/min；半精加工和精加工時(shí)采用的主軸轉(zhuǎn)速為3500 r/min，進(jìn)給速度減小為250mm/min[3]。加工完成后觀察工件表面的加工質(zhì)量(如圖2所示)，可以得到在留取相同加工余量的情況下，采用兩種不同的跟隨周邊方法的軌跡5和軌跡6后，工件表面存在著相對(duì)更多的變向，加工后的表面質(zhì)量相對(duì)較差。而軌跡5相對(duì)于軌跡6的橫向變向少，其加工后表面質(zhì)量相對(duì)要好一些。軌跡1采用的是橫向的往復(fù)式刀具軌跡，由于橫向行程短，也存在著很多變向，其加工后的表面質(zhì)量相對(duì)其他選取豎向?yàn)橹鞣较虻牡毒哕壽E差，其余的刀具軌跡加工的表面均較為光滑。

圖2 葉輪數(shù)控加工效果

3 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

為了探究刀具軌跡對(duì)于葉輪表面裂紋生成的影響，選取了同樣材料的316L不銹鋼薄板作為研究對(duì)象。采用相同的加工流程，選擇相同的加工參數(shù)，最終對(duì)應(yīng)七種 UG基本刀具軌跡編號(hào)對(duì)核主泵葉片根部的薄板進(jìn)行精加工，選擇濃度為42%的沸騰氯化鎂溶液作為試驗(yàn)介質(zhì)[4]，并按照國(guó)標(biāo)GB4334.8-84《不銹鋼42%氯化鎂應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法》制備U型彎試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

在核主泵葉輪數(shù)控加工中，先選用相同的加工余量和加工參數(shù)對(duì)5mm厚的316L不銹鋼薄板進(jìn)行粗加工和精加工，最后的精加工分別采用葉輪根部精加工的七種刀具軌跡，用D6R3的球頭銑刀加工而成。在加工完成后采用對(duì)材質(zhì)影響較小的線切割方法把薄板切割成75mm×15mm×3mm的試樣，采用金相試樣研磨拋光機(jī)對(duì)試樣剪切的斷口進(jìn)行打磨，并用適當(dāng)?shù)娜軇┻M(jìn)行清理。分別以試樣兩側(cè)距離側(cè)邊10mm處為中心，鉆取直徑為4mm的小孔。用直徑為 16mm的壓頭在滾柱壓模上將試樣彎曲成U型并使其兩臂平行，采用螺栓和螺母對(duì)試樣的兩臂施加一定的作用力，使其緊固(緊固夾具與試樣之間墊有絕緣材料)。對(duì)制備的U型試樣進(jìn)行對(duì)應(yīng)編號(hào)，每個(gè)編號(hào)都有三個(gè)平行試樣。試驗(yàn)時(shí)的試樣如圖3所示。

圖3 U型彎試樣

對(duì)制備完成的U型試樣進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)使用的是氯化鎂溶液，由分析純氯化鎂加蒸餾水配制而成，濃度為42%的氯化鎂溶液保持沸騰，通過(guò)內(nèi)部和外部雙重溫度傳感器進(jìn)行溫度控制，保證在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中溫度保持在 155℃左右，以保證試驗(yàn)條件的一致性[5，6]。

在試驗(yàn)中，不同的編號(hào)對(duì)應(yīng)七種不同的刀具軌跡。每個(gè)編號(hào)具有三個(gè)平行試樣，將處理好的試樣放入試驗(yàn)容器中，每隔2 h利用高倍光學(xué)顯微鏡取樣觀察一次，檢測(cè)試樣表面的開(kāi)裂情況，記錄宏觀裂紋產(chǎn)生的時(shí)間和裂紋貫穿的時(shí)間，分析 316L不銹鋼經(jīng)過(guò)不同加工軌跡加工后的應(yīng)力腐蝕性[7]。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

表2記錄了在不同觀察時(shí)間里、不同編號(hào)的試樣表面產(chǎn)生裂紋的個(gè)數(shù)和出現(xiàn)裂紋貫穿現(xiàn)象的個(gè)數(shù)。

表2 試驗(yàn)記錄

由于運(yùn)用不同刀具軌跡加工的奧氏體不銹鋼薄板在腐蝕試驗(yàn)中表現(xiàn)出了不同的抗腐蝕性能，說(shuō)明不同的加工軌跡對(duì)于薄板表面裂紋的生成具有不同的影響。

編號(hào)1的試樣在第一次取樣觀察時(shí)率先出現(xiàn)腐蝕裂紋，并在之后的觀察中裂紋滋生速度最快。在第三次取樣觀察時(shí)，裂紋最先出現(xiàn)貫穿現(xiàn)象以致最后出現(xiàn)了斷裂。裂紋在肉眼下可以明顯觀察到，其抗應(yīng)力腐蝕性能最差[8-10]，如圖4所示。

圖4 編號(hào)1試樣試驗(yàn)情況

其余編號(hào)的試樣在第一次取樣觀察的時(shí)候均沒(méi)有出現(xiàn)腐蝕裂紋，但在第二次取樣觀察的時(shí)候，編號(hào)3，5，6的試樣開(kāi)始出現(xiàn)了不同程度的腐蝕裂紋，在第三次取樣觀察的時(shí)候，全部編號(hào)的試樣都出現(xiàn)了不同程度的腐蝕。

編號(hào)4的試樣抗應(yīng)力腐蝕能力最好。在第三次觀察取樣的時(shí)候，有2個(gè)試樣邊緣開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)小的裂紋，在之后的觀察中裂紋由邊緣向中間延伸，裂紋生長(zhǎng)速率很慢。在試驗(yàn)結(jié)束的時(shí)候，3個(gè)試樣中仍然有1個(gè)試樣沒(méi)有出現(xiàn)裂紋貫穿現(xiàn)象，壓緊的螺母仍然緊固，試驗(yàn)情況如圖5所示。

圖5 編號(hào)4試樣試驗(yàn)情況

在試驗(yàn)中，編號(hào)4的試樣具有最好的抗腐蝕性，裂紋的出現(xiàn)最少，而且生長(zhǎng)得最慢，其對(duì)應(yīng)的是螺旋的加工軌跡。在加工過(guò)程中只有一次進(jìn)退刀，在變向時(shí)采用平滑過(guò)渡的方式，說(shuō)明在加工的時(shí)候因進(jìn)退刀次數(shù)較少，在平滑方向的變化可以帶來(lái)較好的抗腐蝕性，從而可以減少裂紋的產(chǎn)生，放慢裂紋的生長(zhǎng)速度。

在編號(hào)1的試樣中，第一次觀察到最先出現(xiàn)的裂紋，且裂紋在隨后試驗(yàn)中的生長(zhǎng)速率最快，最后試樣幾近斷裂。其對(duì)應(yīng)的是以水平方向?yàn)橹鞣较虻耐鶑?fù)式加工軌跡，雖然只有一次進(jìn)退刀，但是卻有最多的變向，說(shuō)明在一次進(jìn)退刀中變向過(guò)多會(huì)使表面的抗腐蝕性下降，加速裂紋的生長(zhǎng)。

在編號(hào)2的試樣中，采用了單向式的加工方式，抗腐蝕性能較好。雖然在加工過(guò)程中存在著多次進(jìn)退刀，但在一次進(jìn)退刀時(shí)沒(méi)有切削方向的改變，說(shuō)明在一次進(jìn)退刀中有較少的變向，其對(duì)應(yīng)的抗應(yīng)力腐蝕性能好。

在編號(hào)5和6的試樣中，采用了跟隨周邊的方法，不同的是其關(guān)于水平方向和豎直方向的限制不一樣，試件5是豎直方向設(shè)定的刀路多，而試樣6正好相反。在四次觀察中，試樣5的裂紋生長(zhǎng)情況較試樣6好，說(shuō)明在變向次數(shù)相同的情況下，在較長(zhǎng)的路徑上變向比在較短的路徑上變向多，這有利于表面的抗腐蝕性能，且腐蝕裂紋的生長(zhǎng)狀況好，如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)結(jié)束后編號(hào)5,6試樣的裂紋情況

在編號(hào)2的試樣中，裂紋產(chǎn)生和生成的情況相對(duì)較好，其對(duì)應(yīng)的加工軌跡的進(jìn)退刀次數(shù)相同，且在加工表面沒(méi)有變向現(xiàn)象。但編號(hào)2試樣對(duì)應(yīng)的加工軌跡每次進(jìn)刀和退刀的方向都相同，而在編號(hào)3試樣對(duì)應(yīng)的加工軌跡中，上一步進(jìn)刀的方向與下一步的退刀方向相同，說(shuō)明在進(jìn)退刀次數(shù)和變向次數(shù)相同的情況下，進(jìn)退刀的方向一致可以帶來(lái)更好的抗應(yīng)力腐蝕性。

在編號(hào)7試樣中，裂紋生長(zhǎng)狀況更加理想，其對(duì)應(yīng)的是以豎直方向?yàn)橹鞣较虻耐鶑?fù)式加工軌跡，編號(hào)3試樣對(duì)應(yīng)的是以豎直方向?yàn)橹鞣较虻耐鶑?fù)上升的加工軌跡，其主要區(qū)別在于往復(fù)上升的加工方法是在走完豎直方向的行程后要進(jìn)行一次抬刀，然后再進(jìn)刀，變向在遠(yuǎn)離工件表面的地方完成；往復(fù)式加工軌跡則是只有一次進(jìn)退刀，在走完主方向行程后直接在工件表面變換切削方向，往復(fù)上升刀具軌跡進(jìn)退刀的次數(shù)等于往復(fù)式刀具軌跡變向的次數(shù)加 1，說(shuō)明進(jìn)退刀次數(shù)相比變向切削對(duì)于抗應(yīng)力腐蝕性能的影響要大。

編號(hào)4試樣的抗腐蝕性能略好于編號(hào)7試樣，編號(hào)4試樣采用了螺旋的加工軌跡，其和往復(fù)式加工軌跡的主要區(qū)別在于，往復(fù)式加工軌跡是直接變向的，而螺旋式加工軌跡的變向是有圓弧進(jìn)行過(guò)渡的，在相同變向次數(shù)下，相同進(jìn)退刀次數(shù)變向過(guò)渡平滑可以帶來(lái)加工后更好的抗腐蝕性，使加工表面裂紋的生長(zhǎng)速度變緩。

5 結(jié)語(yǔ)

較少的進(jìn)退刀次數(shù)、較小的進(jìn)退刀方向變化和較少的變向及平滑的變向均可以使加工表面具有更好的抗腐蝕性，使其表面裂紋的生成時(shí)間和生長(zhǎng)速率變緩。核主泵葉輪是以安全性為首要保障條件的產(chǎn)品，在實(shí)際加工中需要按照較少的進(jìn)退刀次數(shù)、較小的進(jìn)退刀方向變化和較少的變向及平滑的變向等因素優(yōu)化加工路徑，可以實(shí)現(xiàn)平衡效率和質(zhì)量的要求。核主泵葉輪數(shù)控加工方法對(duì)葉輪表面應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展的影響規(guī)律還有待研究。

[1]秦杰,徐士鳴.導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)對(duì)核主泵性能的影響[J].發(fā)電設(shè)備,2010,24(5):315-318.

[2]戴恩期.不銹鋼加工中切削液的選擇[J].潤(rùn)滑與密封,2003(2):102-103.

[3]董必輝.不銹鋼加工用刀具切削參數(shù)選擇分析[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2007,36(6):91-93.

[4]查小琴,劉海威,閆廷來(lái),等.波紋管原型試件加速應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法及性能研究[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2009,21(6):586-588.

[5]MacDonald, D.D.,Urquidi-MacDonald, M.A coupled environment model for stress corrosion cracking in sensitized type 304 stainless steel in LWR environments[J].Corrosion Science,1991,32(1):51-81.

[6]Pan, Y.,Adams, B.,Olson, T., etc.Grain-boundary structure effects on intergranular stress corrosion cracking of alloy X-750[J].Acta Materialia,1996,44(12):4685-4695.

[7]朱光強(qiáng),桂春,劉鴻運(yùn),等.奧氏體鋼傳熱管在 42% 氯化鎂溶液(沸)中的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)[J].壓力容器,2010(2):4.

[8]Liu, Z.,Li, X.,Du, C., etc.Stress corrosion cracking behavior of X70 pipe steel in an acidic soil environment[J].Corrosion Science, 2008,50(8):2251-2257.

[9]陸永浩,褚武揚(yáng),高克瑋,等.304L 不銹鋼在高溫水中的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展[J].金屬學(xué)報(bào),2004,40(7): 763-767.

[10]王榮光,魏云,張清廉,等.奧氏體不銹鋼 SUS316 及SUS316L 在含 Cl-的飽和 H2S 水溶液中的應(yīng)力腐蝕行為研究[J].中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào),2000(1):47-53.