離心壓縮機葉輪材料FV520B超高周疲勞行為與機理研究.pdf

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

2、FV520B超高周疲勞行為與機理的影響。
　　利用有限單元法，對空分空壓機組H418低壓缸一級葉輪及磨損致葉片局部減薄后該葉輪的相關(guān)力學(xué)特性進行了分析。結(jié)果表明:(1)僅承受離心載荷時，葉根中部應(yīng)力最大。(2)葉輪在額定轉(zhuǎn)速附近運行時，應(yīng)力集中主要發(fā)生在葉片前緣中部，與該葉輪服役時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)拓撲形式基本不變，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，葉片前緣中部最危險，可作為葉輪疲勞試驗的重點考察部位，此位置的最大交變載荷幅值為33.3MPa，葉片前緣的振動與一端為滑動質(zhì)量塊的懸臂梁的彎曲振動相似。
　　研究了高低溫時效處理對FV520B超高周疲勞行為與機理的影響。通過對稱拉壓超聲疲勞試驗方法對FV520B經(jīng)過不同溫度時效處理后得到的FV520B-Ⅰ、FV520B-S的超高周疲勞性能進行測試，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、測量，對其超高周疲勞機理進行研究。FV520B-Ⅰ與FV520B-S的超高周疲勞行為與機理存在較大差異。FV520B-Ⅰ的S-N曲線在109周次試驗范圍內(nèi)呈持續(xù)下降的趨勢，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GBF區(qū)直徑有一定影響，夾雜物直徑顯著

6、減小時，GBF區(qū)直徑也會顯著減小。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疲勞強度預(yù)測的影響。考慮夾雜物形狀時，修正模型的超高周疲勞強度預(yù)測值比Murakami模型預(yù)測值略高2％，修正模型對FV520B-Ⅰ超高周疲勞強度的預(yù)測更接近試驗結(jié)果?；赑aris公式和腐蝕疲勞裂紋萌生壽命模型對FV520B-Ⅰ超高周疲勞壽命進行擬合，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、　通過對稱拉壓超聲疲勞試驗方法對FV520B-Ⅰ試樣尺寸增大時的超高周疲勞性能進行測試，考察試樣尺寸對FV520B-Ⅰ超高周疲勞行為與機理的影響。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)周次下的疲勞強度降低，但FV520B-Ⅰ超高周疲勞機理未發(fā)生本質(zhì)變化。與小尺寸試樣試驗結(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，

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，隨GBF區(qū)直徑與夾雜物直徑比值的增大而增大。對于大尺寸試樣，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)計極值方法對不同尺寸試樣中可能的最大夾雜物尺寸進行預(yù)測，并進一步通過Murakami模型以及考慮夾雜物形狀影響后的修正模型對超高周疲勞強度進行估算，相較于對小尺寸試樣試驗結(jié)果的預(yù)測，上述模型特別是修正模型對大尺寸試樣超高

9、周疲勞強度的預(yù)測更接近試驗結(jié)果。利用腐蝕疲勞裂紋萌生壽命模型對大尺寸試樣的超高周疲勞壽命進行擬合，相較于對小尺寸試樣超高周疲勞壽命的擬合，擬合效果有所下降。
　　采用對稱拉壓超聲疲勞試驗方法測試了接近葉輪真實表面粗糙度情況下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結(jié)果進行對比，分析了表面粗糙度對FV520B-Ⅰ超高周疲勞行為與機理的影響。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”。將試樣危險截面處的最深溝槽作為一條單獨裂紋處理，預(yù)測得到的表面疲勞極限相較于Murakami模型預(yù)測值與試驗結(jié)果更為接近。對于Ra≈0.05，Ra≈0.2的試樣，應(yīng)力幅值較高時，很多試樣中的裂紋未能充分擴展，測試得到的疲勞壽命偏小，試驗結(jié)果小于平行層模型預(yù)測值。對于Ra≈0.6的試樣，應(yīng)力幅值較高時，裂紋能充分擴展，測試結(jié)果較為準(zhǔn)確，平行層模型預(yù)測值與試驗結(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)部裂紋進入到擴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爭。
　　采用漏斗形試樣著重對表面粗糙度不同時FV520B-Ⅰ焊縫的超高周疲勞行為與機理進行研究。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，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模型對表面疲勞極限的預(yù)測遠大于試驗值，平行層模型則能較好的預(yù)測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)有效短裂紋的擴展距離。
　　總之，通過離心壓縮機葉輪的力學(xué)特性分析，確定了葉輪典