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叶片锻模失效分析

信息来源:发布时间:2020-08-01阅读:554

汽轮机叶片毛坯一般采用方钢或模锻成型2种形式,而重要的和较大的叶片毛坯一般采用模锻成型。因汽轮机叶片形状较复杂,如图1所示,故锻模型腔也较复杂,如图2所示,锻模材料为5crnimo,使用设备一般为锤上锻造或螺旋压力机上锻造。锻模型腔呈哑铃形,分为三段:叶根段、型线段以及叶冠段。锻造过程中,各部位的应力场和温度场都不一样,汽轮机叶片锻模各部位失效的形式也不一样,即使是某一处失效也会使整个锻模不能使用,甚至报废。

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叶片锻模的结构特点

汽轮机叶片锻模有以下特点。

 

01 叶根段

 

型腔较深呈v形,在坯料成型过程中最深处受拉应力作用较大,且该处坯料受高温影响,锻模温度较高,使材料强度下降,此处易产生裂图1模锻叶片毛坯纹。型腔两侧壁主要受剪切应力和压应力作用,由于金属流动,与金属间的摩擦剧烈,此处易产生磨损。

 

02 型线段

 

下模呈凹弧面,上模呈凸弧面,下模弧面深处在坯料成型过程中受拉应力作用,弧面两侧受坯料压应力作用,但型腔不深,且是圆滑截面,此处金属流动易产生摩擦磨损。上模呈凸弧面,金属成型过程中受坯料压应力及剪切应力作用,此处也易产生摩擦磨损。

 

03 叶冠段

 

型腔底部较为平坦,型腔较深,在坯料成型过程中底部受拉应力作用,两侧壁受压应力作用;型腔较窄,模具的热量不利于散发,因此该处型腔温度较高,降低了模具材料的强度。在叶冠段底部受拉应力作用和材料强度降低的影响,易出现裂纹,其余部位受压应力作用和金属流动摩擦影响,易出现磨损。

叶根段与型线段交界处和叶冠段与型线段交界处均为圆弧r过渡,此处受压应力作用,且坯料产生塑性变形时,金属流动剧烈,极易产生摩擦磨损。

锻模两端型腔较深呈v形,在v字型腔底部,特别是在坯料成型后期金属充满型腔的情况下,由于拉应力作用,易产生裂纹。中部型线段深腔位置也易在后期受到拉应力作用,这几处若出现裂纹将在应力状态下迅速扩展而贯穿锻模,使其失效;其他平缓位置受力面积较大,易受压应力作用和金属流动摩擦,出现凹陷变形;而锻模突出部位及桥部位置,坯料成型过程中金属流动较快,易受压应力与剪切应力的共同作用及摩擦而出现磨损与凹陷变形。

2

失效锻模检验分析

01

蓝光扫描试验

锻模工作过程中,因受高温影响,会出现材料局部强度不够、金属流动摩擦而造成塌陷、热磨损等失效,影响锻模的使用寿命。通过对失效后的锻模进行三维蓝光扫描与锻模三维模型进行对比,可以精确测量模具零件表面的磨损情况。

 

蓝光扫描结果:对整个型腔壁表面取数个截面进行对比。颜色越深磨损越严重,并在重点区域标示其具体尺寸变化量。通过对比可知:失效锻模的叶冠段型腔底部和型线段部位尺寸变化较大,变形最大处达4.24mm,如图3~图5所示。

02

硬度检测

 

对失效的锻模进行硬度检测,了解锻模使用前后的硬度变化情况,发现失效锻模硬度降低较明显,特别是型腔板与坯料接触时间较长的位置,失效锻模硬度检测点如图6所示,检测结果如表1所示。
 

03

失效裂纹处检测及分析

通过对失效锻模型腔板的宏观观察以及在失效锻模的叶根段贯穿性裂纹处切取试样,通过宏观观察断口、能谱分析、扫描电镜、硬度测定等检测手段,分析锻模叶根段根部位置裂纹的情况。试样尺寸10mm×10mm×6mm,如图7所示。

 

检测包括4个部分:①失效锻模表面宏观形貌,观察型腔壁裂纹情况,初步判断裂纹形式;②断口位置宏观及微观形貌观察,观察裂纹的形貌及裂纹的扩展情况,初步判断裂纹产生的原因;③能谱分析,通过对裂纹附近合金元素的分布情况与正常部位合金元素的分析对比,确定合金元素含量的变化,合金元素含量的变化会导致材料强度的变化,可能是裂纹的产生源,同时氧元素的变化说明是否受到氧化;④硬度分析,合金元素的变化会导致硬度变化,结合eds分析结果,找出性能较差的部位,可能就是裂纹产生的源头。

001

 
 
 
失效锻模表面宏观形貌

图8所示为失效锻模的宏观形貌,发现在锻模型腔壁出现了不同程度的表面磨损,表面清晰可见沟槽、划痕、腐蚀坑、塌陷等现象,在型腔壁底部有大量裂纹,裂纹呈网状龟裂或丛状,裂纹深浅不一,裂纹氧化腐蚀严重,颜色较深。通过裂纹的形式,初步判定其为冷热疲劳裂纹。

002

 
 
 
裂纹及断口处的显微形貌

取裂纹断口进行sem扫描,得到微观形貌,如图9所示。从图9可以发现微观形貌由一系列的小裂纹构成,在裂纹扩展方向出现阶梯小台阶,并有撕裂岭,断裂形貌为海滩形状或贝壳状,其断裂面还有一些细小的裂纹;无较大韧窝,但不排除因表面破坏严重而掩盖了一些小的韧窝。通过观察这些断口特点,认为是早期疲劳裂纹萌生后发生准解理断裂并最终迅速扩展而形成。

 

进一步通过sem观察裂纹的细节,得到不同放大倍数的sem图片,如图10所示。从图10可以看出:裂纹边缘处有大量的腐蚀点,边缘有磨损,深浅、大小不一,主裂纹周围发现许多细小裂纹,并向四周蔓延,裂纹发展不规则,还有分支和二次裂纹。这些裂纹的特征,进一步说明是疲劳裂纹所致。

003

 
 
 
能谱分析
为了确认裂纹内外合金元素含量是否发生变化,对裂纹区域作了能谱分析(eds)。为便于比较,选取位于裂纹内及裂纹附近的基体各一点进行能谱分析,得到裂纹内及裂纹附近基体处的eds图谱,如图11所示。

 

通过比较可知,失效锻模的裂纹内部及裂纹附近均发现了氧元素,裂纹处的含量更高,说明模具钢表面在工作过程中发生了氧化,且裂纹处氧化更严重;另外在裂纹处的扫描图谱中发现合金元素cr、mn、mo等含量降低,表明模具钢在工作过程中,型腔壁在高温过程中产生了氧化腐蚀作用。由于cr、mn、mo等含量的降低,导致模具材料的局部强度、硬度下降,再加上模具工作时急冷急热产生的交变应力而引起材料疲劳,并最终形成可能的裂纹萌生源。这种裂纹萌生源在冲击载荷作用和冷热交替循环产生的交变热应力作用下,最终形成裂纹,随着裂纹的生长,进而扩展融合,最终产生了宏观裂纹。

04

试样硬度

测定试样的硬度,发现该锻模表面及近表面硬度为31~33hrc,与最初硬度36~41hrc比较,表面硬度明显下降。

3

锻模失效原因

通过以上对汽轮机叶片锻模的结构特点及失效锻模的检测分析研究表明:汽轮机叶片锻模的失效形式主要为磨损和裂纹。结合汽轮机叶片锻模的使用情况,产生磨损和裂纹的主要原因如下。
 

01 产生磨损的主要原因

 

一是模膛温度高,使型腔壁表面发生氧化,氧化物脱落后使型腔壁表面扩大;二是摩擦剧烈,模锻时坯料在锻模型腔中因金属流动而产生塑性变形,高温高压下,金属流动剧烈,金属与型腔壁表面发生剧烈摩擦,导致型腔表面磨损,使型腔扩大。

 

02 产生裂纹的主要原因

 

一是型腔温度高,模具零件易软化,使模具零件表面强度降低,在较大的冲击载荷作用下,局部的应力集中导致模具零件产生塑性变形和断裂而产生裂纹;二是锻造过程中,需要对锻模型腔壁进行润滑和冷却,而高温坯料又对型腔进行加热,急冷急热情况下会产生循环的交变热应力,长此以往则出现冷热疲劳裂纹。

 

4

延长锻模使用寿命的方法

根据叶片锻模的失效形式和裂纹产生原因,结合汽轮机叶片锻模的特点和使用情况,从以下几个方面延长锻模的使用寿命。
(1)型腔温度高。可以采用红硬性更好的模具材料,也可以采用表面堆焊红硬性更好的材料等方法。
(2)冲击载荷大。可以采用强度更高的模具材料或局部堆焊强度更高的材料;设计锻模时,避免模具型腔壁存在尖角,尽量增大圆角r,光滑过渡以减少应力集中。
(3)摩擦磨损。为了提高模具型腔壁表面的耐磨性,可以采用热喷涂、化学热处理、表面堆焊耐磨性更高的材料等提高型腔壁表面的硬度和强度,提高模具型腔壁的耐磨性;另外为减少摩擦,可以提高锻模型腔壁表面的粗糙度,锻造过程中增加润滑等措施,以减小摩擦。
(4)急冷急热。急冷急热使材料易产生热疲劳,为了提高锻模的抗热疲劳性能,可以采用在模具型腔壁表面堆焊抗热疲劳性能更好的材料以提高锻模的抗热疲劳性能。
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