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        鈦合金風(fēng)機(jī)葉輪裂紋產(chǎn)生原因分析

        2022-09-20 06:16:22麻毅劉義輝孫冰賈國(guó)成孫宏喆喬海濱楊學(xué)東
        金屬加工(熱加工) 2022年9期
        關(guān)鍵詞:鍵槽補(bǔ)焊源區(qū)

        麻毅,劉義輝,孫冰,賈國(guó)成,孫宏喆,喬海濱,楊學(xué)東

        洛陽雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司 河南洛陽 471000

        1 序言

        某廠生產(chǎn)的鈦合金風(fēng)機(jī)葉輪材料牌號(hào)為ZTC4,直徑為1.3m,與軸的裝配為過盈配合,工作時(shí)轉(zhuǎn)速為2867r/min,調(diào)速為1000~2900r/min,介質(zhì)為鋼廠的轉(zhuǎn)爐煤氣,主要成分為Fe2O3、FeO,進(jìn)氣溫度為65℃。該葉輪在使用過程中產(chǎn)生一條長(zhǎng)約30cm的裂紋,形貌如圖1所示。本文將從葉輪的化學(xué)成分、宏觀形貌、斷口形貌及金相組織等方面,對(duì)其裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析,旨在找出主要原因,結(jié)合生產(chǎn)流程,為后續(xù)的改善提供方向[1,2]。

        圖1 裂紋形貌

        2 化學(xué)成分

        問題葉輪材質(zhì)為ZTC4鈦合金,化學(xué)成分需要滿足GB/T 15073—2014《鑄造鈦及鈦合金》[3]要求,在葉輪產(chǎn)生裂紋部位進(jìn)行取樣對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果見表1。從檢測(cè)結(jié)果中可以得出,材料的化學(xué)成分均滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

        表1 ZTC4化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        3 宏觀及微觀形貌

        3.1 宏觀形貌

        將葉輪裂紋切割下來并打開裂紋,觀察裂紋形貌如圖2所示。結(jié)合圖1可見,裂紋沿葉輪端面鍵槽處呈沿晶開裂特征,晶粒粗大,部分呈粗糙形態(tài),靠近葉輪表面一側(cè)部分?jǐn)嗫陬伾l(fā)黑。圓圈標(biāo)示部位為裂紋源區(qū),處于葉輪鍵槽直角的應(yīng)力集中處,裂紋源區(qū)附近端口相對(duì)平坦,如圖3所示。

        圖2 裂紋形貌

        圖3 裂紋源區(qū)形貌

        3.2 斷口形貌

        在葉輪斷裂部位的裂紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)取樣,置于掃描電鏡下進(jìn)行觀察,斷裂形貌為解理斷裂,如圖4、圖5所示。擴(kuò)展區(qū)呈沿晶與解理混合斷裂形態(tài),如圖6、圖7所示。晶界表面呈現(xiàn)一定韌性特征[4],如圖8所示。

        圖4 裂紋源區(qū)微觀形貌 (20×)

        圖5 裂紋源區(qū)微觀形貌(200×)

        圖6 擴(kuò)展區(qū)微觀形貌(20×)

        圖7 擴(kuò)展區(qū)微觀形貌(100×)

        圖8 擴(kuò)展區(qū)微觀形貌

        3.3 金相組織

        在斷口處取金相試樣拋光后觀察,斷口面凹凸不平,裂紋源處發(fā)現(xiàn)有補(bǔ)焊形成的焊縫組織,其形貌如圖9所示。由圖9可看出,焊縫區(qū)域表面發(fā)現(xiàn)有氧化物層覆蓋,而基體斷裂部分未發(fā)現(xiàn)氧化物層[5]。補(bǔ)焊處金相組織為片狀α+晶間β,如圖10所示。葉輪基體組織為片狀α+晶界α+晶間β[6],如圖11所示。

        圖9 拋光后裂紋源形貌(3×)

        圖10 裂紋源補(bǔ)焊組織

        圖11 葉輪基體組織

        4 分析與結(jié)論

        1)葉輪中各化學(xué)元素的含量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,化學(xué)成分合格。

        2)宏觀分析表明,鍵槽由線切割加工為直角,裂紋起源于鍵槽直角的應(yīng)力集中處,裂紋源區(qū)附近斷口相對(duì)平坦。葉輪與軸的裝配為過盈配合,存在較大的裝配應(yīng)力,并且據(jù)委托方反映,葉輪配合的鍵存在一定程度的腐蝕,從而使鍵與鍵槽的配合不是全截面接觸,會(huì)改變?nèi)~輪鍵槽的受力分布,增加葉輪鍵槽根部的應(yīng)力集中狀態(tài)。

        3)微觀分析表明,葉輪的鍵槽處存在缺陷,在加工過程中進(jìn)行過補(bǔ)焊處理,而實(shí)際生產(chǎn)過程中補(bǔ)焊后未進(jìn)行熱處理。金相分析補(bǔ)焊區(qū)域裂紋處有氧化物,而在基體斷裂區(qū)未發(fā)現(xiàn)氧化物,因此補(bǔ)焊區(qū)域存在焊接熱裂紋源,再加上未及時(shí)進(jìn)行熱處理進(jìn)行應(yīng)力消除,使得葉輪在工作狀態(tài)下,受交變工作應(yīng)力的作用,進(jìn)一步增加了開裂的趨勢(shì),且裂紋隨著使用時(shí)間逐步擴(kuò)展[7]。

        5 結(jié)束語

        綜上所述,葉輪產(chǎn)生裂紋的主要原因是在對(duì)葉輪鑄造缺陷進(jìn)行處理時(shí),補(bǔ)焊不到位導(dǎo)致裂紋源形成,加上補(bǔ)焊后未及時(shí)進(jìn)行熱處理來消除焊接應(yīng)力。葉輪在工作過程中受焊接應(yīng)力的影響,在剛好處于補(bǔ)焊區(qū)域的鍵槽直角處產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致裂紋源擴(kuò)展形成裂紋。

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