麻毅，劉義輝，孫冰，賈國成，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)葉輪材料牌號為ZTC4，直徑為1.3m，與軸的裝配為過盈配合，工作時轉(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)行取樣對其化學(xué)成分進(jìn)行檢測，結(jié)果見表1。從檢測結(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，且裂紋隨著使用時間逐步擴(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葉輪鑄造缺陷進(jìn)行處理時，補(bǔ)焊不到位導(dǎo)致裂紋源形成，加上補(bǔ)焊后未及時進(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。