论文部分内容阅读
叶片和转子作为汽轮机的关键部件，其工作环境和条件极为严苛。随着大型发电机组服役时间的延长，叶片和转子的超高周疲劳失效问题对于保证汽轮机长时间安全运行有着重要意义。本文以汽轮机叶片和转子钢为研究对象，主要工作及结论如下: (1)以汽轮机叶片材料沉淀硬化不锈钢Custom450为研究对象，研究不同取向条件下的超高周疲劳强度。研究表明，不同取向条件下的超高周疲劳裂纹萌生行为由非金属夹杂物主导。致裂夹杂尺寸与其距自由表面的距离存在着线性关系，即裂纹向内部转移过程中致裂缺陷的尺寸具有增大的趋势。在疲劳裂纹内部萌生过程中三维较二维形状的夹杂更易萌生裂纹。建立了基于夹杂物的尺寸、位置和形状的Z参数模型，与疲劳寿命具有很好的线性关系，被认为超高周疲劳的寿命控制参量。 (2)综合运用FIB、OM、SEM、TEM、EBSD（TKD技术）等分析手段对疲劳失效断口进行了观察和表征，发现超高周疲劳内部开裂是由于缺陷和周围组织的交互作用引起的局部的微组织损伤。主要表现为局部塑性变形导致的位错重新分布:即相邻平行马氏体板条边界的湮灭和垂直于马氏体板条位错的分割，在靠近缺陷处形成了具有清晰晶界的位错胞结构，界面或是微裂纹的连接扩展形成了FGA细晶区的形貌。FGA过程包含了超高周疲劳裂纹萌生和裂纹扩展第Ⅰ阶段，这一区域占据了大部分的疲劳寿命。 (3)开展了外部因素如低氧蒸汽环境、缺口、喷丸和内部因素如充氢环境下超高周疲劳行为试验研究。结果表明，在超高周疲劳阶段，缺口(Kt=2.53)和低氧蒸汽均可大幅降低Custom450叶片钢的疲劳强度，环境主要影响表面裂纹的萌生，当环境和缺口的交互作用可以使Kf大于Kt，现有计算公式由于没有考虑环境因素的影响，会得到不保守的结果;表面喷丸处理引入残余应力的同时，会造成近表面或表面的塑性损伤，并引起内部自平衡的拉应力场，导致喷丸后材料的高周疲劳性能不一定提高;充氢后疲劳裂纹多萌生在材料内部，这与聚集在微缺陷周围的氢有关，充氢后试样从内部缺陷萌生的潜力提高，且更易萌生疲劳裂纹，使得充氢后疲劳试样较未充氢试样具有更低的疲劳寿命。 (4)绘制了Custom450沉淀硬化不锈钢用于长寿命设计的Goodman曲线图，并与几种常用叶片材料进行了比较，直观而准确的展示了Custom450钢在各应力比下较17-4PH和钛合金TC4更优秀的疲劳性能。并采用修正的Goodman公式、Gerber法、Jasper能量法三种方法对Custom450叶片钢在疲劳寿命Nf=107和Nf=108时试验结果进行拟合和简化，并提出了考虑应力比效应的Goodman曲线图构建新方法。