電火花線切割對(duì)1Cr13鋼葉根表面質(zhì)量的影響

（東方汽輪機(jī)有限公司長(zhǎng)壽命高溫材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 德陽(yáng)，618000）

電火花線切割對(duì)1Cr13鋼葉根表面質(zhì)量的影響

康銅，徐永鋒，高振桓

（東方汽輪機(jī)有限公司長(zhǎng)壽命高溫材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 德陽(yáng)，618000）

利用X射線表面殘余應(yīng)力儀對(duì)電火花線切割1Cr13鋼葉根進(jìn)行了表面殘余應(yīng)力測(cè)試，使用金相顯微鏡、掃描電鏡分析了葉根表層金相組織的變化，并觀察了表面的組織形貌，利用維氏顯微硬度計(jì)對(duì)表層特征區(qū)域和心部的硬度進(jìn)行了對(duì)比分析，用能譜儀對(duì)表面特征區(qū)域進(jìn)行了物相的定性分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，電火花線切割使1Cr13鋼葉根表層形成了凝固層、淬火層和回火層，并在葉根表面引入了較大的殘余拉應(yīng)力；表面凝固層存在氣孔、顯微疏松等缺陷，并分布了較多由熔滴凝固而成的球狀和橢球狀的顆粒，Cr含量在該顆粒和皺褶中的含量稍低于凹坑處；淬火層的馬氏體板條細(xì)小，且碳化物含量很少；回火層的硬度與基體相近。

電火花線切割，1Cr13鋼，葉根，表面質(zhì)量

0 引言

1Cr13鋼是國(guó)內(nèi)外使用最廣泛的汽輪機(jī)葉片材料之一，具有強(qiáng)度高、韌性好、耐腐蝕性和減振性優(yōu)良等特點(diǎn)[1]。由于葉片處于高溫、高壓、腐蝕、振動(dòng)及水沖蝕等苛刻條件下工作，由葉片失效導(dǎo)致的事故約占汽輪機(jī)組事故的60%左右[2]。當(dāng)葉根表面的粗糙度較大或葉根與葉根槽配合不佳時(shí)，容易產(chǎn)生振動(dòng)，從而引起葉片發(fā)生振動(dòng)疲勞或磨損疲勞失效[3]。

電火花線切割技術(shù)是一種具有很強(qiáng)實(shí)用價(jià)值的加工技術(shù)，它具有加工精度高、表面質(zhì)量好、可加工復(fù)雜曲面和大多數(shù)不同硬度的導(dǎo)電材料等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中[4-5]。由于葉根型線比較復(fù)雜，加工精度和表面質(zhì)量要求高，因此，有必要尋找一種更加高效的加工技術(shù)對(duì)葉根進(jìn)行加工。電火花線切割技術(shù)是一種先進(jìn)的加工技術(shù)，但有關(guān)電火花線切割技術(shù)對(duì)1Cr13鋼葉根表面質(zhì)量影響的研究很少。

本文主要針對(duì)電火花線切割技術(shù)對(duì)1Cr13鋼葉根的表面形貌、表層組織、表面殘余應(yīng)力等影響表面質(zhì)量的因素進(jìn)行了研究，為該技術(shù)的應(yīng)用及其工藝優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

本研究所采用的試驗(yàn)材料為1Cr13葉片鋼，其化學(xué)成分如表1所示。該鋼經(jīng)過(guò)了調(diào)質(zhì)處理，其淬火溫度是980～1 020℃，冷卻方式為油冷或空冷，回火溫度是620～710℃，空冷至室溫。

本研究所采用的試樣為電火花線切割葉根。表面殘余應(yīng)力測(cè)試采用Proto iXRD殘余應(yīng)力儀，測(cè)試條件為：

管電壓：20 kV，管電流：4 mA，靶材：Cr靶，BCC晶面指數(shù)：（211），準(zhǔn)直器直徑：1 mm，β角轉(zhuǎn)動(dòng)范圍：±30°，β角平分為11個(gè)角，采用同傾法，每個(gè)β角掃描10次，時(shí)間常數(shù)為2 s，搖擺角為3°。采用LPA，增益校正P/G，采用皮爾孫法進(jìn)行峰值擬合。

表11 Cr13的化學(xué)成分 Wt%

利用JSM-6490LV掃描電鏡對(duì)葉根的表面組織形貌及表層組織進(jìn)行分析，并用能譜儀對(duì)表面特征區(qū)域進(jìn)行物相的定性分析，使用維氏顯微硬度計(jì)分析表層和心部的顯微硬度，并利用金相顯微鏡分析葉根表層的金相組織。此外，還使用表面粗糙度測(cè)試儀測(cè)試葉根表面的粗糙度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1葉根表面粗糙度及表面殘余應(yīng)力

利用表面粗糙度測(cè)試儀對(duì)葉根表面的粗糙度進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)，其表面粗糙度很小，粗糙度值Ra僅為0.61 μm，這說(shuō)明電火花線切割技術(shù)可以保證良好的表面粗糙度。表面殘余應(yīng)力的檢測(cè)點(diǎn)如圖1所示，各點(diǎn)的殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，葉根表面各點(diǎn)都為殘余拉應(yīng)力，其平均值為380.2 MPa。由于葉根表面存在較大的殘余拉應(yīng)力，當(dāng)其受到外加交變載荷的作用時(shí)，表面的殘余應(yīng)力場(chǎng)與外加交變載荷中的瞬時(shí)拉應(yīng)力場(chǎng)相互疊加，當(dāng)它們所形成的有效應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，局部區(qū)域發(fā)生塑性變形，變形累積到一定程度就會(huì)萌生出疲勞裂紋。因此，表面殘余拉應(yīng)力實(shí)際上降低了葉根部分的實(shí)際承載水平，使其疲勞強(qiáng)度降低，使用壽命下降。另外，在實(shí)際工作過(guò)程中，零件表面的殘余應(yīng)力會(huì)趨于達(dá)到平衡狀態(tài)，從而會(huì)緩慢地釋放殘余應(yīng)力，此過(guò)程會(huì)導(dǎo)致零件的形狀尺寸發(fā)生改變。

圖1 殘余應(yīng)力檢測(cè)點(diǎn)

表2 殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

所以，葉根表面存在的較大殘余拉應(yīng)力還會(huì)使其尺寸穩(wěn)定性變差，影響葉根和葉根槽之間的配合，嚴(yán)重的可能會(huì)引起振動(dòng)疲勞或磨損疲勞破壞。

2.2金相組織及硬度分析

葉根的金相取樣位置如圖2所示，試樣編號(hào)為1#、2#。葉根表層的金相組織照片如圖3所示，1#、2#試樣在個(gè)別區(qū)域都出現(xiàn)了深色腐蝕區(qū)域，為了分析其是否為線切割所引起的組織異常，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行硬度檢查，其結(jié)果如表3所示，該區(qū)域硬度的平均值為266.58HV0.2。同時(shí)，對(duì)心部也取了3個(gè)點(diǎn)測(cè)試顯微硬度，分別為275.4HV0.2、261.7HV0.2、255.9HV0.2。表層和心部的硬度相近，因此，距表面32～49 μm范圍內(nèi)的深色腐蝕區(qū)域?yàn)榻M織更加細(xì)小的回火索氏體。

圖2 葉根金相取樣位置

圖3中的深色腐蝕區(qū)域?yàn)殡娀鸹ň€切割產(chǎn)生的熱影響區(qū)，根據(jù)硬度測(cè)試結(jié)果可知，距表面32～49 μm范圍內(nèi)的深色腐蝕區(qū)域的硬度與基體的硬度相近，因此，可以推斷此范圍內(nèi)的深色腐蝕區(qū)域?yàn)榛鼗饘?，該層在線切割過(guò)程中的回火時(shí)間相對(duì)短暫，所以，硬度相對(duì)于基體降低并不明顯。電火花線切割的回火層位于淬火層與基體之間，該層受到高溫的影響相對(duì)較小，線切割時(shí)的受熱溫度在相變點(diǎn)以下，因此，相當(dāng)于回火的過(guò)程[6]。

圖3 葉根表層金相組織

表3 葉根表層硬度試驗(yàn)結(jié)果

2.3SEM和EDS分析

葉根頂部、根部以及過(guò)渡區(qū)附近平面的表面組織形貌分別如圖4（a）、（b）、（c）所示，由圖可見(jiàn)表面組織中存在著氣孔、顯微疏松等缺陷，此外還存在著一些球狀或橢球狀顆粒。由于電火花線切割時(shí)瞬間的溫度可達(dá)10 000℃以上[7]，瞬間的高溫可使葉根表面被加熱到熔點(diǎn)以上，從而瞬間熔化或氣化，熔化的金屬液滴隨后會(huì)凝聚成球狀或橢球狀顆粒[8]，于是在最表層形成了凝固層，次表層由于受到最表層高溫的影響，雖未達(dá)到熔融狀態(tài)，但是達(dá)到了奧氏體化溫度以上，在冷卻液的急冷作用下，會(huì)發(fā)生淬火過(guò)程，從而形成淬火層。

通過(guò)對(duì)比葉根頂部、根部以及過(guò)渡區(qū)附近平面的組織形貌可知，根部的組織中球狀和橢球狀顆粒明顯要多于頂部和過(guò)渡區(qū)附近平面的顆粒，而過(guò)渡區(qū)附近的平面球狀和橢球狀顆粒最少。而且，球狀和橢球狀顆粒越多的區(qū)域，氣孔、顯微疏松等缺陷越多。線切割的速率越慢，高溫作用的時(shí)間越長(zhǎng)，所以，熔化層越深，熔化產(chǎn)生的球狀和橢球狀顆粒也越多。因此，可以推斷，此葉根根部的線切割速率最小，而過(guò)渡區(qū)附近的平面線切割速率最快。線切割速率的不同主要是由線切割曲面的復(fù)雜程度不同而導(dǎo)致的，根部、頂部、過(guò)渡區(qū)附近平面的曲面復(fù)雜程度依次降低，所以，相應(yīng)的線切割速率依次升高，球狀和橢球狀顆粒的含量依次降低。

為了進(jìn)一步了解表層的金相組織分布，對(duì)2#試樣進(jìn)行了SEM分析，其SEM金相組織如圖4所示，可見(jiàn)很多橢球狀的顆粒附著在金相試樣的表面，該層即為線切割形成的表面凝固層，此層位于深約為0～5 μm的區(qū)域內(nèi)。由于凝固層中存在著氣孔、顯微疏松、微裂紋等缺陷，該層與淬火層之間的結(jié)合并不牢固，因此容易脫落。由圖4（d）可以看到，金相試樣平面上與淬火層相鄰的表層并無(wú)明顯的凝固層，這是因?yàn)樵谥谱鹘鹣嘣嚇舆^(guò)程中凝固層發(fā)生了脫落。此外，層深約為5～20 μm的區(qū)域內(nèi)為馬氏體板條組織，析出的碳化物明顯比內(nèi)層少，因此為淬火層。在淬火層與基體之間為回火層，由圖4（d）可見(jiàn)，該層中碳化物的析出很明顯。

圖4 表層組織形貌

凝固層的EDS線掃描結(jié)果如圖5所示，1Cr13鋼葉根的凝固層中C含量在掃描線內(nèi)無(wú)明顯變化，分布比較均勻。Cr和Fe的含量在不同掃描線段內(nèi)變化比較明顯，且二者的含量基本上呈現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。仔細(xì)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在圖5所示的2個(gè)球狀顆粒內(nèi)以及皺褶上，Cr的含量相對(duì)于凹坑處偏低，這可能是由凝固時(shí)間和相對(duì)受熱程度不同引起的。球狀顆粒以及皺褶處的受熱相對(duì)更嚴(yán)重，凝固時(shí)間晚于凹坑處，因此，Cr含量產(chǎn)生了差異。

圖5 EDS線掃描結(jié)果

3 結(jié)論

（1）電火花線切割使1Cr13鋼葉根形成了表面凝固層、淬火層和回火層。層深約為0～5 μm的區(qū)域?yàn)楸砻婺虒?，深約5～20 μm的區(qū)域?yàn)榇慊饘印?/p>

（2）在葉根的表面凝固層中，存在氣孔、顯微疏松等缺陷，并分布了較多由熔滴凝固而成的球狀和橢球狀的顆粒；根部、頂部、過(guò)渡區(qū)附近平面的球狀和橢球狀顆粒的含量依次降低，且Cr含量在球狀顆粒和皺褶中的含量稍低于凹坑處；淬火層的碳化物含量很少；回火層的硬度與基體相近。

（3）1Cr13鋼葉根的表面粗糙度Ra僅為0.61 μm，但其表面卻存在著較大的殘余拉應(yīng)力，平均值高達(dá)380.2 MPa，這主要是由表面凝固層急劇冷卻時(shí)的熱應(yīng)力引起的。

（4）表面凝固層中的球狀和橢球狀顆粒越多，表面熔化得越嚴(yán)重，表面缺陷也越多。

[1]Das G,Chowdhury SG,Ray AK,et al.Turbine blade failure in a thermal power plant[J].Engineering Failure Analysis, 2003,10(1):85-91.

[2]Steam turbine reliability seminar and workshop[R].EPRI,cs-4001.1985.

[3]葛又川.汽輪機(jī)零件的失效分析[J].上海汽輪機(jī),1995,(2): 43-56.

[4]狄士春,于濱,趙萬(wàn)生,等.國(guó)外電火花線切割加工技術(shù)最新進(jìn)展[J].電加工與模具,2003,(3):12-16.

[5]Norliana MA,Solomon DG,Bahari MF.A review on current research trends in electrical discharge machining(EDM)[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2007,47(7-8):1214-1228.

[6]張迪.汽輪機(jī)葉片材料1Cr13鋼電火花線切割表面質(zhì)量研究[D].青島:青島科技大學(xué),2010．

[7]Jerzy K,Kamlakar PR,Niraj C.Machining of low electrical conductive materials by wire electrical discharge machining (WEDM)[J].Journal of Materials Processing Technology, 2004,149:266-271.

[8]Rebelo JC,Dias AM,et al.Influence of pulse energy on the surface integrity of martensitic steels[J].Journal of Materials Processing Technology,1998,84:90-96.

Effect of Wire Electrical Discharge Machining on Surface Quality of 1Cr13 Steel Blade Root

Kang Tong,Xu Yongfeng,Gao Zhenhuan
（State Key Laboratory of Long-life High Temperature Materials,Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

The surface residual stress test of 1Cr13 steel blade root after wire electrical discharge machining was analyzed by the X-ray surface residual stress analyzer.The surface microstructure was investigated by optical microscopy,scanning electron microscopy, and the surface microstructure appearance of the blade root was analyzed.The surface and center hardness of the blade root were mea?sured by microhardness tester.Qualitative analysis of the phase on the blade root surface was studied by the EDS.The result showed that a solidified layer,a quenched layer and a tempered layer were formed on the surface of 1Cr13 steel blade root after wire electrical discharge machining，and a high tensile residual stress was caused on the surface.Some pores,osteoporosis and other microscopic de?fects appeared in the solidified layer,and spherical and ellipsoidal particles distributed on the layer as well.Cr content of the particle and the fold was is slightly less than the pit.The more these particles,the more defects were.The microstructure of hardened layer was composed by martensite lath and very little carbide.The hardness of tempered layer was nearly equal to that of the substrate.

wire electrical discharge machining,1Cr13 steel,blade root,surface quality

TK265

A

1674-9987（2016）04-0050-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.04.011

康銅（1986-），男，碩士，助理工程師，畢業(yè)于西安交通大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，現(xiàn)從事汽輪機(jī)材料的物理金相檢驗(yàn)及研究工作。