高效超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鋼FB2的低周疲勞特性研究

丁玲玲， 楊百勛， 田 曉， 李益民

(西安熱工研究院有限公司，西安 710054)

汽輪機(jī)在啟?；蜃冐?fù)荷等非穩(wěn)定工況時(shí)，由于溫度的變化，轉(zhuǎn)子中會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，尤其是在調(diào)節(jié)級(jí)附近區(qū)段。在機(jī)組啟動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)子表面溫度較高，而心部溫度低，此時(shí)表面受壓應(yīng)力，心部受拉應(yīng)力，停機(jī)時(shí)則相反。這種交變的熱應(yīng)力會(huì)引起轉(zhuǎn)子的低周疲勞損傷，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子開裂，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重事故，對參與調(diào)峰運(yùn)行的機(jī)組來說更為嚴(yán)重。

從能量角度分析，材料的低周疲勞損傷過程實(shí)質(zhì)上是不可逆塑性應(yīng)變能的消耗過程。因此，除了用傳統(tǒng)的Manson-Coffin模型分析材料的應(yīng)變-壽命關(guān)系外，還可建立塑性應(yīng)變能與壽命間的關(guān)系[1]。

FB2是歐洲COST522項(xiàng)目中研發(fā)的一種新型(9%～12%)Cr馬氏體鋼(數(shù)字表示Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù))，研發(fā)階段和中試階段的試驗(yàn)表明其具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能以及良好的韌性[2]。目前，再熱溫度為620 ℃的高效超超臨界機(jī)組的中壓轉(zhuǎn)子均采用FB2。研究FB2的低周疲勞性能可為轉(zhuǎn)子的疲勞壽命設(shè)計(jì)、安全性評價(jià)提供技術(shù)依據(jù)，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。筆者重點(diǎn)研究了FB2轉(zhuǎn)子鋼的低周疲勞特性，建立了FB2的塑性應(yīng)變能與其對應(yīng)的總應(yīng)變幅和疲勞壽命的關(guān)系。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用材料采用日本鑄鍛鋼株式會(huì)社(JCFC)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子鍛件。試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分

轉(zhuǎn)子鍛件的性能熱處理工藝為：奧氏體化，1 100 ℃×18 h/油冷；第一次回火，570 ℃×36 h/爐冷；第二次回火，680 ℃×12 h/爐冷。

FB2的金相組織如圖1所示，橫縱截面均為回火馬氏體組織，組織均勻，晶粒度2級(jí)，在馬氏體板條邊界及板條內(nèi)彌散分布著大量析出相。

圖1 FB2轉(zhuǎn)子鋼的微觀組織

Fig.1 Microstructure of the FB2 steel

在試樣的縱截面可觀察到球狀及長條狀BN夾雜，呈團(tuán)聚狀析出，最大尺寸達(dá)100 μm，分布于原奧氏體三岔晶界及奧氏體晶內(nèi)(見圖2)。FB2轉(zhuǎn)子鋼中添加了微量的B(一般不超過0.01%)，B能夠溶入M23C6中，增加了M23C6的穩(wěn)定性。M23C6具有穩(wěn)定原奧氏體晶界的作用，可抑制晶界的遷移，因此B的添加能夠改善材料的蠕變性能。然而， Sakuraya等[3]研究發(fā)現(xiàn)，對于含碳量為0.004%的9%Cr鋼，經(jīng)1 100 ℃正火+800 ℃回火后，只有20%的B溶入基體，而80%的B形成了BN夾雜。BN為脆性相，當(dāng)其尺寸較大時(shí)，會(huì)對材料的沖擊及低周疲勞等性能產(chǎn)生不利影響。

文獻(xiàn)[4]指出，BN是在鋼錠冷卻過程中形成的。圖3給出了高Cr馬氏體鋼BN析出的臨界B、N含量，將試驗(yàn)用FB2的B、N含量標(biāo)記在圖上，可以推測其中會(huì)有大尺寸BN存在，這與試驗(yàn)結(jié)果一致。

2 拉伸性能

根據(jù)GB/T 228.1—2010 《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》和GB/T 228.2—2015 《金屬材料拉伸試驗(yàn)第2部分：高溫試驗(yàn)方法》在MTS 810試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫(23±2) ℃和620 ℃下的拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示，其中拉伸試驗(yàn)數(shù)值為2個(gè)試樣的平均值，Rp0.2為屈服強(qiáng)度，Rm為抗拉強(qiáng)度，A為延伸率，Z為斷面收縮率。從表2可以看出，F(xiàn)B2縱向的性能稍優(yōu)于徑向，這與鍛造過程中形成的取向有關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果表明轉(zhuǎn)子各部位材料的拉伸性能差異不大，性能較均勻。試驗(yàn)用FB2的室溫拉伸強(qiáng)度和塑性指標(biāo)滿足相關(guān)技術(shù)要求。

(a) 侵蝕態(tài)的BN形貌

(b) 拋光態(tài)的BN形貌(SEM)

圖3 高Cr馬氏體鋼中BN析出的臨界B、N含量

Fig.3 Critical concentration of B and N precipitated from BN inclusions in high Cr martensitic steel

表2 FB2轉(zhuǎn)子鋼各部位的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3 低周疲勞性能

低周疲勞試驗(yàn)按照GB/T 15248—2008 《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為室溫和620 ℃，試驗(yàn)采用軸向應(yīng)變控制，應(yīng)變比R=-1，加載波形為三角波，應(yīng)變速率為8×10-3s-1。選取最大循環(huán)峰值拉伸應(yīng)力σmax下降到30%時(shí)的循環(huán)周次作為失效循環(huán)數(shù)Nf。試驗(yàn)用等截面圓柱形試樣，沿鍛件徑向取樣。

3.1 載荷與循環(huán)周次

試驗(yàn)過程中載荷與循環(huán)周次的關(guān)系見圖4。由圖4(a)和圖4(b)可知，不論是室溫還是620 ℃，峰值應(yīng)力都隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減小，這表明FB2為循環(huán)軟化材料。圖4(c)中，低周疲勞過程中峰值應(yīng)力隨著循環(huán)周次的變化可分為3個(gè)階段：載荷快速下降的軟化階段、載荷基本保持不變的穩(wěn)定階段和載荷快速下降的失效階段。其中軟化階段約占總循環(huán)周次的10%，失效階段占20%，穩(wěn)定階段持續(xù)的時(shí)間最長。文獻(xiàn)[5]指出，在最初階段，由于位錯(cuò)密度大幅減少，亞晶粗化，表現(xiàn)為峰值拉伸應(yīng)力迅速減??；之后，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和亞晶粗化逐漸穩(wěn)定，位錯(cuò)、晶界以及固溶體和析出相的強(qiáng)化依然起作用，兩者共同作用導(dǎo)致了穩(wěn)定的第二階段；最后，由于裂紋產(chǎn)生擴(kuò)展導(dǎo)致試樣斷裂。溫度一定時(shí)，隨著總應(yīng)變幅(Δεt/2)的增加，穩(wěn)定的第二階段越來越短。

(a) 室溫

(b) 620 ℃

(c) 載荷與循環(huán)周次分成3個(gè)階段的示意圖

3.2 循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變特性

材料的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變特性可用循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線來描述。將一定溫度、不同應(yīng)變幅下的穩(wěn)態(tài)滯后環(huán)置于同一坐標(biāo)內(nèi)，其頂點(diǎn)的連線即為循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線可用式(1)和式(2)來描述：

(1)

(2)

(a) 室溫

(b) 620 ℃

將室溫和620 ℃下的拉伸曲線與循環(huán)應(yīng)力(σ)-應(yīng)變(ε)曲線畫在一個(gè)坐標(biāo)下，如圖7所示。從圖7可以看出，在低周疲勞條件下，隨著溫度的升高，循環(huán)強(qiáng)度明顯降低。因此，對于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，尤其是參與調(diào)峰的機(jī)組，在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意材料的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變特性。

圖6 應(yīng)力幅-塑性應(yīng)變幅的關(guān)系

圖7 σ-ε曲線

3.3 應(yīng)變-壽命曲線

材料的低周疲勞壽命可用Manson-Coffin公式描述：

(3)

過渡疲勞壽命Nt是低周疲勞的一個(gè)重要指標(biāo)，若設(shè)計(jì)的疲勞壽命小于Nt，就需要材料的低周疲勞壽命曲線及其彈塑性應(yīng)力分析；若設(shè)計(jì)的疲勞壽命遠(yuǎn)大于Nt，應(yīng)采用材料的高周疲勞壽命曲線及其彈性應(yīng)力分析。

(a) 總應(yīng)變幅-壽命曲線

(b) 彈塑性應(yīng)變幅-壽命曲線

3.4 塑性應(yīng)變能

不同應(yīng)變幅下穩(wěn)定階段的塑性應(yīng)變能ΔWp與總應(yīng)變幅Δεt/2和失效循環(huán)數(shù)Nf在雙對數(shù)坐標(biāo)上均為直線關(guān)系(見圖10)。關(guān)系式如下：

(a) 室溫

(b) 620 ℃

(a)ΔWp-Δεt/2曲線

(b) ΔWp-Nf曲線

室溫

(4)

ΔWp=431.16×Nf-0.508 49

(5)

620 ℃

(6)

ΔWp=116.95×Nf-0.499 59

(7)

在低周疲勞過程中，忽略最初的快速軟化階段和裂紋擴(kuò)展階段少量的循環(huán)，其穩(wěn)定階段每一循環(huán)的塑性應(yīng)變能基本不變[9-10]，于是，整個(gè)疲勞過程中總的塑性應(yīng)變能Wp可近似用式(8)來描述：

Wp=ΔWp×Nf

(8)

Wp為材料的疲勞韌度，對于一種特定材料而言并非定值。改寫式(5)和式(7)：

(9)

(10)

4 結(jié) 論

(1) FB2轉(zhuǎn)子鋼在室溫和620 ℃下，各部位拉伸性能差異不大，性能較均勻，室溫下的Rp0.2>700 MPa，滿足COST522項(xiàng)目要求。

(2) 在室溫和620 ℃下，F(xiàn)B2均表現(xiàn)為循環(huán)軟化，室溫下的應(yīng)變-壽命曲線高于620 ℃，循環(huán)應(yīng)變-壽命滿足Manson-Coffin關(guān)系。

(3) 低周疲勞下，F(xiàn)B2穩(wěn)態(tài)滯后環(huán)表征的塑性應(yīng)變能與對應(yīng)的總應(yīng)變幅和疲勞壽命在雙對數(shù)坐標(biāo)下呈線性關(guān)系，可用這個(gè)關(guān)系估算出其疲勞壽命。