不同環(huán)境下05Cr17Ni4Cu4Nb 鋼超高周疲勞性能研究

張曉東，王佳薇，李清松，王天劍，鞏秀芳，張宏

（1.東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000；2.長壽命高溫材料國家重點實驗室，四川 德陽，618000；3.四川大學(xué)，四川 成都，610000）

1 前言

在我國經(jīng)濟結(jié)構(gòu)綠色轉(zhuǎn)型以及“十四五”規(guī)劃中雙碳節(jié)能減排的重大需求下，核電作為一種清潔能源，是低碳電力和熱能的重要來源。相比化石燃料等傳統(tǒng)能源，核電產(chǎn)生的污染要小得多，相比光伏、風(fēng)力、太陽能發(fā)電又不受天氣季節(jié)因素的限制，已成為我國新能源的重要組成部分且極具競爭力[1]。核電汽輪機是核電站的核心部件，而低壓末級葉片又是汽輪機中最為核心的零件之一，其運行工況十分復(fù)雜[2－4]。由于末級葉片尺寸大，在高速旋轉(zhuǎn)中將產(chǎn)生極大的離心力，葉片振動以及水沖刷的復(fù)雜應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕[5]、腐蝕疲勞、疲勞等。因此，對于末級葉片的材料強度以及耐蝕性有很高要求。

05Cr17Ni4Cu4Nb 鋼有良好的強度[6]、韌性、耐腐蝕性，被廣泛用于各類末級長葉片。國內(nèi)主要采用760 MPa 強度等級的05Cr17Ni4Cu4Nb 鋼作為低壓動葉片使用。隨著末級葉片設(shè)計尺寸不斷增加，895 MPa 強度等級的05Cr17Ni4Cu4Nb 鋼將被作為設(shè)計首選，另外隨著核電站的設(shè)計壽命達到60 a，對葉片的超高周疲勞性能也提出了要求。目前，關(guān)于895 MPa 強度等級的05Cr17Ni4Cu4Nb 鋼的超高周疲勞性能以及其破壞機理還未見報道，而超高周疲勞性能研究對汽輪機末級葉片的疲勞強度設(shè)計、安全評估以及服役壽命預(yù)測都有非常重要的工程意義。因此，本文采用超聲疲勞試驗方法，獲得了895 MPa 強度等級的05Cr17Ni4Cu4Nb鋼105～109周次的疲勞壽命曲線，研究了該材料在不同環(huán)境下超高周范圍的疲勞性能，分析了在超高周疲勞條件下該材料的疲勞裂紋萌生機理。

2 試驗材料與方法

2.1 試樣制備

895 MPa 強度等級的05Cr17Ni4Cu4Nb 沉淀硬化型不銹鋼為試驗材料，其主要化學(xué)成分見表1。將250 mm×150 mm×150 mm 的試塊在實驗室加熱爐中進行740～850 ℃緩冷的退火處理，隨后進行660～680 ℃快冷的高溫回火處理。性能熱處理后，其主要力學(xué)性能：抗拉強度Rm997 MPa；0.2%條件屈服強度Rp0.2 為MPa；伸長率A 為22.5%；斷面收縮率Z 為62%；布氏硬度為313 HB。

表1 05Cr17Ni4Cu4Nb 鋼的化學(xué)成分 wt%

2.2 試驗方法

本次實驗采用USF－2000 型超聲振動疲勞試驗機，加載頻率為20 kHz，應(yīng)力比R 為－1。超高周疲勞試驗利用感應(yīng)加熱溫度控制精度±3 ℃，能實現(xiàn)高溫變應(yīng)力比。超聲振動疲勞試樣具體尺寸如圖1 所示。

圖1 超高周疲勞試件尺寸/mm

為模擬實際運行工況，本次試驗分別在3 種不同環(huán)境下進行，其試驗參數(shù)見表2。

表2 試驗參數(shù)

采用JEOL－6510LV 型掃描電鏡（SEM）對3 種試驗參數(shù)下的超高周疲勞試樣的光滑斷口進行顯微分析。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 超高周疲勞S-N 曲線

圖2 為不同條件環(huán)境下895 MPa 強度等級的05Cr17Ni4Cu4Nb 鋼的超高周疲勞試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。從圖中可以看出，3 種環(huán)境條件下05Cr17Ni4Cu4Nb 鋼的S-N 曲線基本服從Basquin直線擬合分布，說明05Cr17Ni4Cu4Nb 鋼在室溫、22% NaCl 室溫及95 ℃水蒸氣環(huán)境下，隨著疲勞壽命的增大，其應(yīng)力幅均直線下降。在室溫條件下，05Cr17Ni4Cu4Nb 鋼的109周次壽命對應(yīng)的疲勞極限為490 MPa；在22% NaCl 室溫條件下，05Cr17Ni4Cu4Nb 鋼的109周次壽命對應(yīng)的疲勞極限為 460 MPa；在 95 ℃水 蒸氣條件下，05Cr17Ni4Cu4Nb 鋼的109周次壽命對應(yīng)的疲勞極限為360 MPa。在此次工況下隨著環(huán)境溫度的升高，該材料的疲勞強度逐漸降低。此外，在2 種室溫環(huán)境下（室溫、22% NaCl 室溫），該材料的服役壽命從107周次增加至109周次后，其應(yīng)力幅下降程度相似，約為70 MPa。而在95 ℃水蒸氣環(huán)境下，服役壽命從107周次增加至109周次后，其疲勞強度從490 MPa 降至360 MPa。需要強調(diào)的是由于疲勞數(shù)據(jù)具有一定的分散性，需要從統(tǒng)計學(xué)角度來綜合分析，進一步確定其本質(zhì)規(guī)律，然后目前試驗結(jié)果表明，超過傳統(tǒng)周期極限即107周次后，材料疲勞性能還在繼續(xù)降低，因此用107周次下的疲勞強度作為服役壽命在109周次以上的末級葉片的疲勞強度為設(shè)計依據(jù)具有一定局限性，需要進一步探討。

圖2 3 種環(huán)境下超高周疲勞S-N 曲線

3.2 疲勞斷口觀察

圖3 為室溫下R=-1 疲勞斷口形貌，存在明顯的表面裂紋萌生、次表面裂紋萌生和內(nèi)部裂紋萌生失效特征，裂紋萌生區(qū)域的高倍圖如右側(cè)所示，可以明顯看出，所有的斷口形貌都可以分為裂紋萌生區(qū)和裂紋擴展區(qū)。對于表面裂紋萌生，主要存在高應(yīng)力幅和低疲勞壽命區(qū)域，且表面裂紋的萌生區(qū)較為粗糙，并伴隨著較多的微裂紋，如圖3（a）中的紅色箭頭所示。對于次表面裂紋萌生如圖3（b）所示，此時次表面的缺陷是其裂紋萌生的主要原因，并且其裂紋萌生區(qū)相比于表面裂紋萌生區(qū)域較為平坦。圖3（c）為內(nèi)部失效斷口形貌，內(nèi)部的組織非均勻性及微裂紋如圖中的紅色箭頭所示是導(dǎo)致其疲勞失效的主要原因，并且還可以觀察到超高周對應(yīng)的魚眼形貌。

圖3 R=-1 室溫下典型疲勞斷口形貌

圖4 為22%NaCl 環(huán)境下疲勞斷口形貌。與R=-1 相比，其裂紋萌生模式分為表面裂紋萌生和內(nèi)部裂紋萌生2 種，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的次表面萌生失效的斷口形貌。圖4（a）為表面裂紋萌生的斷口形貌，且其疲勞源可以明顯的看出，其表面存在局部腐蝕微缺陷（黑色箭頭所示），導(dǎo)致應(yīng)力集中，這也是其表面裂紋萌生失效的主要原因。此外，裂紋擴展區(qū)存在較多的孔洞或微裂紋（紅色箭頭所示）。圖4（b）為材料內(nèi)部失效的疲勞斷口圖。其裂紋萌生區(qū)域為非均勻的微觀組織且存在二次裂紋和孔洞，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的魚眼形貌。

圖4 R=-1 且22%NaCl 環(huán)境下疲勞斷口形貌

圖5 為95 ℃水蒸氣環(huán)境下疲勞斷口形貌。與R=-1 相比，其裂紋萌生模式也包括表面裂紋萌生、次表面裂紋萌生及內(nèi)部裂紋萌生3 種。圖5（a）為表面裂紋萌生的斷口形貌，裂紋源自材料內(nèi)部非均勻性組織缺陷，且在缺陷處存在明顯的二次裂紋和材料表面氧化現(xiàn)象。圖5（b）為次表面裂紋萌生斷口形貌，其特征與表面裂紋萌生斷口類似，主要是由于較小應(yīng)力幅和較長循環(huán)載荷下導(dǎo)致裂紋易于從次表面組織非均勻處萌生。圖5（c）為材料內(nèi)部失效的疲勞斷口圖，其內(nèi)部失效的斷口形貌與R=-1 室溫內(nèi)部失效的斷口形貌較為相似，存在超高周疲勞對應(yīng)的魚眼形貌。其疲勞源為內(nèi)部非均勻的微觀組織，且在萌生區(qū)周圍存在著明顯的二次裂紋和孔洞。

圖5 R=-1 且95 ℃水蒸氣環(huán)境下疲勞斷口特征

4 結(jié)論

（1）實驗結(jié)果表明，超過107周次后，材料疲勞性能還在繼續(xù)降低，因此有必要進行材料107周次以上疲勞性能研究。

（2）R=-1 且室溫和95 ℃水蒸氣環(huán)境下，疲勞裂紋斷口形貌主要包括表面裂紋萌生、次表面裂紋萌生及內(nèi)部裂紋萌生失效，存在超高周對應(yīng)的魚眼形貌。95 ℃水蒸氣環(huán)境下對材料疲勞失效斷口特征影響較小。

（3）R=-1 且22%NaCl 環(huán)境下，疲勞裂紋斷口形貌主要包括表面裂紋萌生和內(nèi)部裂紋萌生失效。22%NaCl 環(huán)境下會在材料表面凹凸處產(chǎn)生局部腐蝕，造成裂紋易于從此處萌生，降低疲勞壽命。