汽輪機轉子鋼常溫與600℃超高周疲勞行為研究

侯　方，李久楷，謝少雄，劉永杰，王清遠，，張軍暉

（1.四川大學建筑與環境學院，四川成都610065；2.四川大學空天科學與工程學院，四川成都610065；3.上海電氣電站設備有限公司上海汽輪機廠，上海200240）

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汽輪機轉子鋼常溫與600℃超高周疲勞行為研究

侯方1，李久楷1，謝少雄2，劉永杰1，王清遠1，2，張軍暉3

（1.四川大學建筑與環境學院，四川成都610065；2.四川大學空天科學與工程學院，四川成都610065；3.上海電氣電站設備有限公司上海汽輪機廠，上海200240）

摘要：利用自主研發的高溫超聲疲勞實驗系統，開展CrMoW轉子鋼常溫及600℃下的超高周疲勞實驗。為新型超超臨界汽輪機轉子提供高溫超高周疲勞數據，實驗結果表明高溫會極大降低轉子鋼的疲勞強度。S-N曲線在常溫及600℃下均呈現連續下降型，且600℃下S-N曲線在整個疲勞壽命周次內保持一定下降趨勢。斷口分析發現，常溫下疲勞壽命＞107周次試件的疲勞裂紋以內部萌生為主，600℃下疲勞破壞的內部夾雜萌生方式與表面萌生方式均分布于整個疲勞壽命。夾雜物尺寸分析表明，高溫降低疲勞裂紋內部萌生夾雜物的臨界尺寸。

關鍵詞：汽輪機轉子鋼；超高周疲勞；高溫；非金屬夾雜物

0　引言

新型超超臨界汽輪機高壓轉子在30年服役期內要在高溫環境下承受高達4×1010周次低應力疲勞載荷作用。已有研究發現[1]，汽輪機轉子在服役多年之后，高溫低應力區的疲勞損傷遠大于低溫高應力區，長期高溫交變循環載荷對轉子鋼的疲勞性能會產生較大影響。用于制造超超臨界汽輪機組高壓轉子的CrMoW轉子鋼是在9%Cr1Mo鋼的基礎上添加W元素形成的新型耐熱鋼，其最高使用溫度為610℃，具有良好的淬透性、斷裂韌性、抗疲勞破壞性及在長期高溫狀況下良好的組織穩定性。已有學者對該材料微觀組織以及疲勞斷裂力學方面進行了研究。吳海利等[2]研究其室溫低周疲勞特性。趙鵬等[3]研究了該材料在蠕變疲勞載荷下的棘輪效應。目前，國內外對轉子鋼疲勞研究主要集中在低周疲勞[4-6]，高周疲勞的研究報道很少。因此，很有必要研究CrMoW轉子鋼在高溫環境下的超高周疲勞性能。

傳統疲勞實驗機受到實驗時間和費用的限制，很難開展108周次以上的疲勞實驗。使用超聲疲勞實驗是開展1010周次的疲勞實驗目前唯一可行的方式。已有多篇文獻[7-9]利用超聲疲勞試驗系統對不同種類的材料進行了超高周疲勞研究，結果驗證了超聲疲勞加速試驗方法的準確性和可靠性。基于超超臨界汽輪機高壓轉子工作溫度為600℃，本文在自主搭建的高溫超聲疲勞試驗系統上完成了CrMoW轉子鋼在室溫和600℃下的超高周疲勞實驗，得到了CrMoW轉子鋼在工作溫度下的超高周疲勞性能，并討論了高溫及夾雜物對疲勞性能的影響。

1　實驗材料及實驗方法

實驗所用轉子鋼為新研制的馬氏體CrMoW轉子鋼，其化學成分與基本力學性能分別列出于表1、表2中。圖1為轉子鋼在光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡下的微觀組織圖。可看到轉子剛的微觀組織為高溫回火馬氏體，馬氏體板條寬度分布于0.2～2 μm間。馬氏體是由奧氏體經過熱處理轉換，仍可觀察到原奧氏體晶界，晶粒尺寸約為80μm。在原奧氏體晶界和馬氏體板條界上分布著大量顆粒狀析出物（圖1（a）中黑點、圖1（b）中白點），該彌散析出相沉淀于奧氏體晶界與馬氏體板條界，起釘扎位錯、穩定板條界面及亞晶界的作用，可有效提高材料的高溫蠕變強度。

常溫實驗在島津USF-2000超聲疲勞實驗機上完成。實驗中，采用間歇振動加載，并用壓縮冷干空氣對試件進行冷卻。高溫實驗在自主搭建的超聲高溫實驗系統上完成，該系統由超聲疲勞實驗機、試件加熱裝置、測溫裝置3部分組成，實驗加熱裝置為定制高頻感應加熱器，其示意圖如圖2所示。高溫超聲實驗系統的詳細描述可見文獻[10]。圖3為常溫及高溫試件的設計圖，試件設計頻率為20.00 kHz，并通過有限元軟件驗證。因加工誤差，常溫試件實測頻率為19.98kHz，高溫試件實測頻率為20.03kHz。

表1　材料化學成分的質量分數　%

表2　材料力學性能

圖1　CrMoW轉子鋼微觀組織結構

圖2　高溫超聲實驗系統

2　高溫實驗應力比計算

圖3　超聲實驗試件（單位：mm）

根據超聲實驗機原理[11]，試件中部應力值實際是由試件末端位移幅值乘以位移應力系數Cs得到，實驗中通過實時監測和控制試件末端位移幅值來間接控制實驗應力。試件位移應力系數為

式中：β——與試件尺寸及聲學性能相關的參數；

Ed——彈性模量；

φ（L1，L2）——試件相關幾何尺寸的函數。

式（1）在數學推導中，假定彈性模量Ed為常數。對于常溫實驗環境下，能滿足彈性模量為常數的條件。但對于高溫實驗環境，試件在感應加熱下的溫度并非均勻分布，而彈性模量與溫度相關。因此，高溫環境下試件的彈性模量不再是一個常數，通過式（1）將不能得到精確的位移應力系數。由表2可知，實驗溫度下試件彈性模量有34%的下降，有必要得到更精確的位移應力系數。

通過文獻[12]中的方法得到了材料彈性模量與溫度間的關系為

由紅外測溫儀得到試件在高溫實驗下的溫度分布（見圖4），將溫度數據代入式（2）可得到試件上各處的彈性模量值。因試件為對稱圖形，通過有限元軟件ANSYS建立1/4模型，采用SOLID43單元，劃分單元數為13 680，將彈性模型值分別賦予對應的單元，計算分析可得高溫下的應力位移系數。結果顯示，通過有限元分析修正后的應力位移系數與由公式計算得到的值相差5.5%。

3　實驗結果及分析

3.1S-N曲線對比

圖5為轉子剛在室溫和600℃下的超聲疲勞S-N曲線。其中實心符號表示裂紋從內部夾雜處萌生，空心符號代表裂紋萌生于表面。箭頭標示數據點表示試件循環至1010周次后仍未斷裂。室溫與600℃下的S-N曲線整體呈現連續下降型，S-N曲線下降趨勢在5×107周次附近存在一個分界點。常溫S-N曲線的下降趨勢先急后緩，600℃下則恰好相反。試件循環周次在109后仍會發生斷裂，不存在傳統意義的疲勞極限。

圖4　高溫實驗試件溫度分布

圖5　S-N曲線

常溫與600℃下材料在1010循環周次的疲勞強度分別為450 MPa和110 MPa，疲勞強度與拉伸強度的比值分別為0.50和0.20。高溫下的疲勞強度與其對應的拉伸強度比值不具有常溫下的經驗關系，表明高溫對轉子剛的疲勞性能有很大的影響。根據600℃下的S-N曲線，疲勞強度會隨著循環周次的增加進一步下降，這與主觀認識一致。隨著循環周次的增加，材料因高溫氧化造成的損傷會逐漸累積，同時表面氧化層容易在循環加載中產生裂紋。因此，在工程設計中應特別注意缺少高溫疲勞實驗數據的材料。

從裂紋萌生位置來看，常溫與600℃下循環周次在高周（105～107）及超高周（＞107）范圍均存在兩種裂紋萌生方式，即表面萌生與內部夾雜處萌生。常溫下，試件疲勞壽命在高周范圍內裂紋多萌生于試件表面，表面萌生比例占全部試件的85%，而超高周范圍下以內部萌生為主，表面萌生僅占15%。600℃下，裂紋萌生方式則均勻分布于整個疲勞壽命，表面萌生占55%，在高溫超聲實驗的材料中首次發現這種萌生特征。

3.2斷口對比分析

常溫與600℃下疲勞裂紋均存在兩種萌生方式，圖6（a）與圖6（b）為表面萌生特征對比，可明顯的看出，高溫下裂紋萌生區比常溫下更粗糙，且呈放射脊狀特征。高溫下，裂紋會從塑性較差的表面氧化層萌生，使內部材料暴露于空氣，高溫促使材料中的活躍金屬元素與空氣中的氧氣迅速發生反應從而形成多個裂紋易萌生區，裂紋從這些區域萌生，并在之后的擴展中與不同平面的裂紋融合，最終形成放射脊狀特征。常溫下則不同，內外材料性能幾乎一致，氧氣也不易與金屬元素反應。此外，氧氣與內部材料形成的氧化物也會使得高溫下裂紋萌生區看起來更加粗糙。

對比圖6（c）與圖6（d）可發現，常溫與高溫下魚眼特征基本一致，在夾雜物周圍有FGA（fine granular area）區存在。內部萌生試件中夾雜物大多以團簇形式存在，通過能譜分析表明非金屬夾雜物是三氧化二鋁，見圖7。

圖6　常溫及600℃下典型裂紋萌生

圖8展示了常溫與600℃下裂紋在穩定擴展區典型的疲勞條紋特征，裂紋在兩種實驗環境下均以穿晶形式擴展。高溫并沒有改變裂紋在穩定擴展區的擴展方式。但常溫下的疲勞條紋遠沒有600℃下清晰，且常溫裂紋擴展區出現明顯的二次裂紋。高溫提高了材料的塑性，緩解了裂紋擴展中裂紋的應力集中，由此不易出現二次裂紋。更好的塑性和氧化作用，使600℃下的疲勞裂紋更加粗糙。

3.3金屬夾雜物分析

基于以上分析，轉子剛中存在的夾雜物易成為疲勞裂紋的萌生點，且內部萌生裂紋不易被發現，應盡量消除。在鋼材冶煉過程中，基于某些特定的工藝，其內部的非金屬夾雜物不可避免。圖9為夾雜尺寸與壽命間的關系，夾雜物尺寸為夾雜物面積的平方根。常溫下夾雜物的尺寸隨著壽命增加而呈現下降的趨勢，夾雜物尺寸的范圍為19～40μm，90%的夾雜物介于19～35μm間。600℃下，夾雜物尺寸與疲勞壽命呈線性遞增關系，夾雜物尺寸介于10～40μm。有研究表明[13]，裂紋萌生的夾雜物尺寸存在一個臨界值，圖8表明高溫條件下，疲勞裂紋內部萌生的臨界夾雜物尺寸，比常溫條件下臨界夾雜物尺寸小。

圖7　夾雜物及成分分析

圖8　常溫及600℃典型裂紋擴展

ΔKinc為內部萌生試件夾雜應力強度因子變化范圍，圖10為常溫及600℃下ΔKinc隨疲勞壽命的變化，其計算公式為

式中：σa——夾雜處應力幅值；

areainc——夾雜物面積。

可以觀察到常溫下ΔKinc隨著疲勞壽命的增加而減小，且呈現一定線性規律，這與常溫超聲實驗所得結論一致[14]。但600℃下ΔKinc呈一條直線，不受疲勞壽命變化的影響，所呈現的規律與常溫下有很大的區別，值得深入探討。

在常溫高應力作用下，表面形成的滑移帶易成為裂紋萌生點，此時裂紋從內部夾雜萌生的門檻值較高，只有夾雜物達到一定尺寸時裂紋才會從該處萌生。隨著循環應力的減小，表面滑移帶形成裂紋源需要更多的循環周次。當應力減小到一定值，在1010循環周次內表面不能形成裂紋源，裂紋萌生于內部夾雜物。相應內部夾雜處裂紋萌生的門檻值逐漸降低（見圖10）。

在高溫環境下，試件表面因氧化而易成為裂紋的萌生處，且高溫和氧氣對材料的損傷隨著周次的增加而逐漸增大，高溫會增加裂紋從表面萌生的概率。但同時，表面萌生裂紋向內部擴展時會因內外材料性能的差異受到限制。此外，由圖9可知高溫降低了內部萌生的夾雜物臨界尺寸，增加了裂紋從內部萌生的機率。結合600℃下的ΔKinc和S-N曲線的特征可推測，裂紋的內部夾雜萌生方式與表面萌生方式的概率相差不大，高溫實驗環境下裂紋萌生機理并不隨疲勞壽命發生變化。

圖9　常溫及600℃夾雜物尺寸隨疲勞壽命的變化

圖10　常溫及600℃下ΔKinc隨疲勞壽命的變化

4　結束語

本文通過超聲疲勞方法研究了CrMoW轉子鋼在常溫及600℃下的1010超高周疲勞性能，并結合斷口電鏡圖分析了高溫環境及夾雜物對試件疲勞性能的影響，主要結論如下：

1）CrMoW轉子鋼在常溫及600℃應力循環109周次后仍會發生疲勞斷裂，不存在傳統疲勞極限，疲勞壽命Nf=1010的疲勞強度分別為450MPa和110MPa。

2）常溫與600℃下均發現了裂紋萌生于材料內部夾雜的現象。常溫高周及超高周下疲勞破壞以內部萌生為主。600℃下，疲勞裂紋表面及內部夾雜兩種萌生方式均勻分布于整個疲勞壽命。

3）高溫降低了裂紋內部萌生夾雜物的臨界尺寸，夾雜物尺寸隨著疲勞壽命升高而增大。

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（編輯：李妮）

Very high cycle fatigue behavior of rotor steel for the steam turbine under room temperature and 600℃

HOU Fang1，LI Jiukai1，XIE Shaoxiong2，LIU Yongjie1，WANG Qingyuan1，2，ZHANG Junhui3
（1. College of Architecture and Environment，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2. School of Aeronautics and Astronautics，Sichuan University，Chengdu 610065，China；3. Shanghai Electric Power Generation Equipment Co.，Ltd.，Shanghai Turbine Plant，Shanghai 200240，China）

Abstract:Very high cycle fatigue tests on CrMoW rotor steel at room temperature and 600℃were conducted by using an autonomous development system. Experimental results display that high temperature will largely degrade fatigue performance. The S-N curves at room temperature and 600℃both present continuously descending and keep a certain downtrend in the whole fatigue life namely 1010cycles. Fractograph of specimens show that the fatigue cracks are primarily generated from inside where the fatigue life is more than 1×107cycles under room temperature. It is found that the surface initiation mode and the inclusion initiation mode are uniformly distributed in the whole fatigue life. The study on inclusion size reveals that the critical size of the inclusions in inclusion initiation mode is decreased due to high temperature.

Keywords:steam turbine rotor steel；very high cycle fatigue；high temperature；nonmetallic inclusion

通訊作者：王清遠（1965-），男，重慶市人，教授，博導，主要從事新型材料與結構力學、超長壽命疲勞與可靠性等研究。

作者簡介：侯方（1990-），男，陜西漢中市人，碩士研究生，專業方向為金屬超高周疲勞行為與斷裂機理。

基金項目：國家自然科學基金（11172188，11327801，11502151）

收稿日期：2015-10-27；收到修改稿日期：2015-11-30

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.002

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）02-0009-06