離心壓縮機(jī)葉輪斷裂原因分析

■ 程曉波

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我公司離心壓縮機(jī)在某客戶現(xiàn)場(chǎng)開機(jī)運(yùn)行數(shù)小時(shí)，Ⅰ級(jí)葉輪斷裂，造成蝸殼與齒輪箱連接的10個(gè)強(qiáng)度12.9級(jí)的M15和鎖緊螺栓斷裂。其裝配如圖1所示。本文針對(duì)斷裂葉輪（見圖2），從葉輪斷口，材料成分，組織等方面入手，結(jié)合壓縮機(jī)工作過程中葉輪受力狀態(tài)分析其斷裂原因。

1.試樣與分析方法

經(jīng)查該葉輪加工工藝為：冶煉→鍛造→固溶處理→時(shí)效→加工內(nèi)孔→加工葉片。

為方便分析除客戶返回失效葉輪1#，還從生產(chǎn)線隨機(jī)抽樣葉輪2#，同批號(hào)新葉輪3#，一共三個(gè)葉輪進(jìn)行對(duì)比分析。

采用Zeiss Stemi2000 體式顯微鏡觀察斷口，在此基礎(chǔ)上利用SEM觀察主要斷面裂紋起始位置，對(duì)該位置進(jìn)行EDS分析；對(duì)斷裂1#葉輪以及2#葉輪和3#葉輪不同位置取樣，使用Zeiss Lab.A1金相顯微鏡進(jìn)行金相分析；同時(shí)對(duì)照我公司內(nèi)部葉輪使用材料標(biāo)準(zhǔn)對(duì)成分、拉伸以及沖擊性能測(cè)試 。

圖1 裝配示意

圖2 斷裂葉輪

2.結(jié)果與討論

（1）化學(xué)成分與力學(xué)性能 葉輪化學(xué)成分列于表1，符合AMS5659標(biāo)準(zhǔn)。力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果列于表2。1#斷裂葉輪縱向沖擊性能雖然滿足AMS5659標(biāo)準(zhǔn)，但相比15-5PH正常值偏低，2#葉輪縱向沖擊性能不達(dá)標(biāo)。

（2）金相組織 三個(gè)葉輪不同位置多個(gè)視場(chǎng)δ鐵素體含量列于表3。斷裂1#葉輪δ鐵素體含量明顯高于2#和3#葉輪，未達(dá)到我公司≤0.5%的技術(shù)要求，且與供應(yīng)商原材料報(bào)告<0.5%的結(jié)果不一致。針對(duì)1#葉輪，其δ鐵素體分布不均勻，外側(cè)明顯高于內(nèi)孔。2#葉輪內(nèi)孔位置不同視場(chǎng)鐵素體含量也不相同，且差異較大。其典型組織如圖3所示，為δ鐵素體和板條馬氏體組織。

針對(duì)葉輪斷裂面，垂直于中心孔軸向靠近孔內(nèi)側(cè)取截面金相樣，其與15-5PH正常組織不同，發(fā)現(xiàn)厚度約1mm的焊縫柱狀晶組織，且有明顯的熔合線，其結(jié)果如圖4所示。沿熔合線兩側(cè)硬度分布如圖5所示，焊接組織硬度（最小212HV）明顯低于馬氏體組織（375HV）。

表1 葉輪化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 葉輪力學(xué)性能結(jié)果

表3 葉輪δ鐵素體含量 （%）

圖3 金相組織

（3）斷口分析 葉輪斷面呈現(xiàn)明顯放射線狀，如圖6箭頭方向所示，其起始位置位于中心孔箭頭所示位置。該處取樣后，經(jīng)掃描電鏡觀察在中心孔內(nèi)壁隱約可見水平方向平行的機(jī)加工痕跡以及垂直方向波紋狀的塑性變形線，如圖7所示。其擴(kuò)展區(qū)域呈準(zhǔn)解理斷裂（見圖8）。EDS針對(duì)圖5不同位置測(cè)量結(jié)果如表4所示， A區(qū)成分為基體15-5PH，B區(qū)成分接近304，因此可以推測(cè)其使用焊料為304。經(jīng)低倍檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其焊接沿孔軸向深度約為85mm（見圖9）。

圖 4 1#葉輪中心孔壁焊接組織

圖 5 1#葉輪中心孔硬度分布

3.討論與分析

15-5是在17-4鋼基礎(chǔ)上改進(jìn)、發(fā)展起來(lái)的馬氏體沉淀硬化不銹鋼，鋼中的鉻、銅含量較后者低，而鎳含量略有提高，使得鋼淬火后可以獲得全馬氏體，減少δ鐵素體含量，進(jìn)而提高其塑性和韌性。上述金相觀察結(jié)果表明，1#斷裂葉輪含有較多δ鐵素體，且縱向沖擊吸收能量?jī)H為20J，雖然滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但相對(duì)于2#葉輪橫向，3#葉輪的沖擊性能降低接近一半，其中2#葉輪縱向沖擊吸收能量15J更是低于標(biāo)準(zhǔn)要求，與其δ鐵素體分布不均勻、局部含量高有關(guān)。這與李榮鵬等，通過研究得出δ鐵素體顯著降低材料的沖擊性能的結(jié)果一致。

馬氏體沉淀硬化不銹鋼為保證焊縫與基體強(qiáng)度一致，應(yīng)采用成分相近的不銹鋼且焊后需進(jìn)行固溶和時(shí)效處理。而本次斷裂葉輪內(nèi)孔經(jīng)觀察存在厚度約1mm、沿軸向深度約85mm的304焊接組織，其為典型的焊縫柱狀晶組織，未經(jīng)熱處理，顯微硬度較基體組織低40%左右，違反沉淀硬化馬氏體焊接技術(shù)要求。

表4 圖5中不同位置EDS分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖6 斷口裂紋擴(kuò)展方向

圖7 裂紋起始位置

圖8 擴(kuò)展區(qū)形貌

圖9 內(nèi)孔補(bǔ)焊深度

斷裂葉輪工作時(shí)轉(zhuǎn)速達(dá)24000r/min以上，其中心孔處將承受巨大的離心力。上述掃描電鏡檢查斷裂葉輪中心孔在內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)塑性變形線，說(shuō)明實(shí)際運(yùn)行過程中，葉輪中心孔位置應(yīng)力已經(jīng)超出補(bǔ)焊材料的強(qiáng)度，從而導(dǎo)致初始裂紋的萌生，隨即裂紋穿透補(bǔ)焊層，向葉輪基體材料擴(kuò)展。斷裂葉輪由于δ鐵素體含量較高，使得其韌性降低，裂紋迅速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致葉輪的開裂。

4.方案

針對(duì)葉輪存在補(bǔ)焊現(xiàn)象，參照Marble試劑，配置腐蝕液用于生產(chǎn)線快速檢測(cè)。該溶液中單質(zhì)Cu析出電位正好處于304和15-5之間，溶液中Cu2+將于15-5PH中的Fe發(fā)生置換反應(yīng)生成單質(zhì)Cu，而不與304發(fā)生反應(yīng)，因此可以用是否出現(xiàn)Cu來(lái)判斷葉輪是否發(fā)生補(bǔ)焊，效果如圖10所示。同時(shí)制訂相應(yīng)操作規(guī)范，對(duì)生產(chǎn)線員工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)后達(dá)到預(yù)期效果。

圖10 快速檢驗(yàn)前后對(duì)比

5.結(jié)語(yǔ)

（1）葉輪內(nèi)孔補(bǔ)焊是造成開裂的主要原因，其補(bǔ)焊后未進(jìn)行熱處理使得補(bǔ)焊位置是粗大的枝晶組織，硬度值遠(yuǎn)低于圖樣要求。

（2）葉輪不同部位δ鐵素體分布不均勻，尤其是開裂葉輪，其中心孔位置δ鐵素體含量遠(yuǎn)超過<0.5%技術(shù)要求，達(dá)到2.0%以上。其造成葉輪沖擊韌度降低，部分位置未達(dá)到技術(shù)要求，或遠(yuǎn)低于正常工藝下葉輪性能。

（3）針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)葉輪，設(shè)計(jì)專用溶液，可以根據(jù)是否出現(xiàn)紅色單質(zhì)Cu進(jìn)行快速鑒別是否使用304焊料補(bǔ)焊，排除安全隱患。