離心壓縮機(jī)葉輪材料FV520B超高周疲勞行為與機(jī)理研究.pdf

1、離心壓縮機(jī)葉輪屬于高速回轉(zhuǎn)類零件，由于尾流激振、機(jī)組振動(dòng)等原因，其往往承受高頻低應(yīng)力幅循環(huán)載荷作用，疲勞壽命要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過107周次，進(jìn)入超高周疲勞范圍。離心壓縮機(jī)葉輪重要材料FV520B的超高周疲勞行為與機(jī)理研究不僅為離心壓縮機(jī)葉輪的長壽命疲勞設(shè)計(jì)與疲勞失效預(yù)防提供了指導(dǎo)，也為后續(xù)離心壓縮機(jī)葉輪可再制造臨界閾值的判定提供了有力支持。作者首先對(duì)某離心壓縮機(jī)葉輪力學(xué)特性進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上研究了高低溫時(shí)效處理、試樣尺寸、表面粗糙度、焊接對(duì)

2、FV520B超高周疲勞行為與機(jī)理的影響。
　　利用有限單元法，對(duì)空分空壓機(jī)組H418低壓缸一級(jí)葉輪及磨損致葉片局部減薄后該葉輪的相關(guān)力學(xué)特性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:(1)僅承受離心載荷時(shí)，葉根中部應(yīng)力最大。(2)葉輪在額定轉(zhuǎn)速附近運(yùn)行時(shí)，應(yīng)力集中主要發(fā)生在葉片前緣中部，與該葉輪服役時(shí)的疲勞斷裂部位吻合。(3)磨損導(dǎo)致的葉片局部減薄為“小失諧”，葉輪失諧前后的結(jié)構(gòu)拓?fù)湫问交静蛔?，失諧葉輪模態(tài)頻率和各階振型與諧調(diào)葉輪相比變化不大。(4

3、)尾流激振引起葉輪共振時(shí)，葉片前緣中部最危險(xiǎn)，可作為葉輪疲勞試驗(yàn)的重點(diǎn)考察部位，此位置的最大交變載荷幅值為33.3MPa，葉片前緣的振動(dòng)與一端為滑動(dòng)質(zhì)量塊的懸臂梁的彎曲振動(dòng)相似。
　　研究了高低溫時(shí)效處理對(duì)FV520B超高周疲勞行為與機(jī)理的影響。通過對(duì)稱拉壓超聲疲勞試驗(yàn)方法對(duì)FV520B經(jīng)過不同溫度時(shí)效處理后得到的FV520B-Ⅰ、FV520B-S的超高周疲勞性能進(jìn)行測(cè)試，獲得超高周疲勞S-N曲線，并通過斷口形貌觀察和特征區(qū)域尺寸

4、測(cè)量，對(duì)其超高周疲勞機(jī)理進(jìn)行研究。FV520B-Ⅰ與FV520B-S的超高周疲勞行為與機(jī)理存在較大差異。FV520B-Ⅰ的S-N曲線在109周次試驗(yàn)范圍內(nèi)呈持續(xù)下降的趨勢(shì)，起裂模式的不同導(dǎo)致曲線分為斜率明顯不同的兩部分。FV520B-S的S-N曲線大幅低于FV520B-Ⅰ，甚至從106循環(huán)周次處便出現(xiàn)“傳統(tǒng)疲勞極限”。在超高周疲勞階段，F(xiàn)V520B-Ⅰ裂紋主要萌生于內(nèi)部夾雜物，少數(shù)裂紋萌生于表面基體或內(nèi)部較軟的鐵素體。FV520B-Ⅰ超

5、高周疲勞斷口魚眼區(qū)的形成與裂紋源距試樣表面距離有關(guān)，裂紋源距試樣表面越近，內(nèi)部裂紋轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻媪鸭y越快，魚眼區(qū)內(nèi)外裂紋擴(kuò)展速率差別越大，魚眼區(qū)邊界越明顯。FV520B-Ⅰ超高周疲勞壽命隨GBF(granular bright facet)區(qū)直徑的增大而增大，而與其他特征區(qū)域尺寸的關(guān)系并不明顯。夾雜物處起裂裂紋的萌生壽命不是超高周疲勞壽命的主要部分，超高周疲勞壽命主要消耗在GBF區(qū)的形成上。夾雜物直徑對(duì)GBF區(qū)直徑有一定影響，夾雜物直徑顯著

6、減小時(shí)，GBF區(qū)直徑也會(huì)顯著減小。在Murakami模型的基礎(chǔ)上，通過斷裂力學(xué)分析考察了夾雜物形狀對(duì)疲勞強(qiáng)度預(yù)測(cè)的影響?？紤]夾雜物形狀時(shí)，修正模型的超高周疲勞強(qiáng)度預(yù)測(cè)值比Murakami模型預(yù)測(cè)值略高2％，修正模型對(duì)FV520B-Ⅰ超高周疲勞強(qiáng)度的預(yù)測(cè)更接近試驗(yàn)結(jié)果?；赑aris公式和腐蝕疲勞裂紋萌生壽命模型對(duì)FV520B-Ⅰ超高周疲勞壽命進(jìn)行擬合，基于腐蝕疲勞裂紋萌生壽命模型的擬合結(jié)果明顯優(yōu)于基于Paris公式的擬合結(jié)果。
　

7、　通過對(duì)稱拉壓超聲疲勞試驗(yàn)方法對(duì)FV520B-Ⅰ試樣尺寸增大時(shí)的超高周疲勞性能進(jìn)行測(cè)試，考察試樣尺寸對(duì)FV520B-Ⅰ超高周疲勞行為與機(jī)理的影響。試樣尺寸增大后，試樣中夾雜物尺寸增大，試樣熱效應(yīng)更明顯，S-N曲線下移，相同應(yīng)力水平下，疲勞壽命縮短，109循環(huán)周次下的疲勞強(qiáng)度降低，但FV520B-Ⅰ超高周疲勞機(jī)理未發(fā)生本質(zhì)變化。與小尺寸試樣試驗(yàn)結(jié)果相似，大尺寸試樣的超高周疲勞壽命與裂紋源距試樣表面距離、魚眼區(qū)直徑?jīng)]有明顯關(guān)系。載荷一定時(shí)，

8、超高周疲勞壽命隨夾雜物直徑的減小總體上呈增大的趨勢(shì)，隨GBF區(qū)直徑與夾雜物直徑比值的增大而增大。對(duì)于大尺寸試樣，夾雜物處起裂裂紋的萌生壽命同樣不是超高周疲勞壽命的主要部分，超高周疲勞壽命主要消耗在GBF區(qū)的形成上。采用統(tǒng)計(jì)極值方法對(duì)不同尺寸試樣中可能的最大夾雜物尺寸進(jìn)行預(yù)測(cè)，并進(jìn)一步通過Murakami模型以及考慮夾雜物形狀影響后的修正模型對(duì)超高周疲勞強(qiáng)度進(jìn)行估算，相較于對(duì)小尺寸試樣試驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測(cè)，上述模型特別是修正模型對(duì)大尺寸試樣超高

9、周疲勞強(qiáng)度的預(yù)測(cè)更接近試驗(yàn)結(jié)果。利用腐蝕疲勞裂紋萌生壽命模型對(duì)大尺寸試樣的超高周疲勞壽命進(jìn)行擬合，相較于對(duì)小尺寸試樣超高周疲勞壽命的擬合，擬合效果有所下降。
　　采用對(duì)稱拉壓超聲疲勞試驗(yàn)方法測(cè)試了接近葉輪真實(shí)表面粗糙度情況下FV520B-Ⅰ在109周次范圍內(nèi)的超高周疲勞性能，并與前兩組光滑試樣的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析了表面粗糙度對(duì)FV520B-Ⅰ超高周疲勞行為與機(jī)理的影響。隨著試樣表面粗糙度的增大，S-N曲線下移，表面裂紋向內(nèi)部裂

10、紋轉(zhuǎn)變的應(yīng)力幅值降低，直至出現(xiàn)“傳統(tǒng)疲勞極限”。將試樣危險(xiǎn)截面處的最深溝槽作為一條單獨(dú)裂紋處理，預(yù)測(cè)得到的表面疲勞極限相較于Murakami模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)結(jié)果更為接近。對(duì)于Ra≈0.05，Ra≈0.2的試樣，應(yīng)力幅值較高時(shí)，很多試樣中的裂紋未能充分?jǐn)U展，測(cè)試得到的疲勞壽命偏小，試驗(yàn)結(jié)果小于平行層模型預(yù)測(cè)值。對(duì)于Ra≈0.6的試樣，應(yīng)力幅值較高時(shí)，裂紋能充分?jǐn)U展，測(cè)試結(jié)果較為準(zhǔn)確，平行層模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。試樣從表面或內(nèi)部起裂

11、是由表面裂紋或內(nèi)部裂紋進(jìn)入到擴(kuò)展階段的先后決定的，GBF區(qū)內(nèi)裂紋生長極慢，該區(qū)域的形成與裂紋萌生相近，可采用參數(shù)D*=NG/NS表征裂紋起裂模式的競(jìng)爭(zhēng)。
　　采用漏斗形試樣著重對(duì)表面粗糙度不同時(shí)FV520B-Ⅰ焊縫的超高周疲勞行為與機(jī)理進(jìn)行研究。相較于母材，F(xiàn)V520B-Ⅰ焊縫試樣的起裂模式更多，焊接過程中產(chǎn)生的氣孔和藥皮夾渣都能引起疲勞開裂。FV520B-Ⅰ焊縫高周疲勞裂紋主要萌生于表面，超高周疲勞裂紋主要萌生于熔池冶金反應(yīng)形成

12、的復(fù)雜非金屬氧化物。GBF區(qū)存在C富集，佐證了GBF區(qū)形成的碳化物彌散減聚機(jī)制。GBF區(qū)的形成是裂紋由短裂紋群體行為逐漸演化為單條長裂紋行為的過程?？拷鼕A雜物，應(yīng)力集中越大，有效短裂紋密度越高，斷面粗糙度越大;遠(yuǎn)離夾雜物，應(yīng)力集中越小，有效短裂紋密度越低，斷面粗糙度越小。FV520B-Ⅰ光滑焊縫具有明顯的超高周疲勞特征，疲勞壽命高于107周次時(shí)，裂紋主要在內(nèi)部萌生。表面粗糙度增大后，S-N曲線有所下降，裂紋傾向于表面萌生。Murakam

13、i模型對(duì)表面疲勞極限的預(yù)測(cè)遠(yuǎn)大于試驗(yàn)值，平行層模型則能較好的預(yù)測(cè)表面起裂高周疲勞裂紋的疲勞壽命。夾雜物（氣孔）處起裂裂紋的萌生壽命不是超高周疲勞壽命的主要部分，超高周疲勞壽命隨夾雜物（氣孔）直徑的減小而增大，隨GBF區(qū)直徑與夾雜物（氣孔）直徑比值的增大而增大。夾雜物（氣孔）直徑減小導(dǎo)致應(yīng)力集中降低，減緩了有效短裂紋密度的增加，GBF直徑的增大增加了主導(dǎo)有效短裂紋的擴(kuò)展距離。
　　總之，通過離心壓縮機(jī)葉輪的力學(xué)特性分析，確定了葉輪典