鈦合金風機葉輪裂紋產生原因分析

麻毅，劉義輝，孫冰，賈國成，孫宏喆，喬海濱，楊學東

洛陽雙瑞精鑄鈦業有限公司 河南洛陽 471000

1 序言

某廠生產的鈦合金風機葉輪材料牌號為ZTC4，直徑為1.3m，與軸的裝配為過盈配合，工作時轉速為2867r/min，調速為1000～2900r/min，介質為鋼廠的轉爐煤氣，主要成分為Fe2O3、FeO，進氣溫度為65℃。該葉輪在使用過程中產生一條長約30cm的裂紋，形貌如圖1所示。本文將從葉輪的化學成分、宏觀形貌、斷口形貌及金相組織等方面，對其裂紋產生的原因進行分析，旨在找出主要原因，結合生產流程，為后續的改善提供方向[1，2]。

圖1 裂紋形貌

2 化學成分

問題葉輪材質為ZTC4鈦合金，化學成分需要滿足GB/T 15073—2014《鑄造鈦及鈦合金》[3]要求，在葉輪產生裂紋部位進行取樣對其化學成分進行檢測，結果見表1。從檢測結果中可以得出，材料的化學成分均滿足標準的要求。

表1 ZTC4化學成分檢測結果（質量分數） (%)

3 宏觀及微觀形貌

3.1 宏觀形貌

將葉輪裂紋切割下來并打開裂紋，觀察裂紋形貌如圖2所示。結合圖1可見，裂紋沿葉輪端面鍵槽處呈沿晶開裂特征，晶粒粗大，部分呈粗糙形態，靠近葉輪表面一側部分斷口顏色發黑。圓圈標示部位為裂紋源區，處于葉輪鍵槽直角的應力集中處，裂紋源區附近端口相對平坦，如圖3所示。

圖2 裂紋形貌

圖3 裂紋源區形貌

3.2 斷口形貌

在葉輪斷裂部位的裂紋源區和裂紋擴展區取樣，置于掃描電鏡下進行觀察，斷裂形貌為解理斷裂，如圖4、圖5所示。擴展區呈沿晶與解理混合斷裂形態，如圖6、圖7所示。晶界表面呈現一定韌性特征[4]，如圖8所示。

圖4 裂紋源區微觀形貌 （20×）

圖5 裂紋源區微觀形貌（200×）

圖6 擴展區微觀形貌（20×）

圖7 擴展區微觀形貌（100×）

圖8 擴展區微觀形貌

3.3 金相組織

在斷口處取金相試樣拋光后觀察，斷口面凹凸不平，裂紋源處發現有補焊形成的焊縫組織，其形貌如圖9所示。由圖9可看出，焊縫區域表面發現有氧化物層覆蓋，而基體斷裂部分未發現氧化物層[5]。補焊處金相組織為片狀α+晶間β，如圖10所示。葉輪基體組織為片狀α+晶界α+晶間β[6]，如圖11所示。

圖9 拋光后裂紋源形貌（3×）

圖10 裂紋源補焊組織

圖11 葉輪基體組織

4 分析與結論

1）葉輪中各化學元素的含量均符合標準要求，化學成分合格。

2）宏觀分析表明，鍵槽由線切割加工為直角，裂紋起源于鍵槽直角的應力集中處，裂紋源區附近斷口相對平坦。葉輪與軸的裝配為過盈配合，存在較大的裝配應力，并且據委托方反映，葉輪配合的鍵存在一定程度的腐蝕，從而使鍵與鍵槽的配合不是全截面接觸，會改變葉輪鍵槽的受力分布，增加葉輪鍵槽根部的應力集中狀態。

3）微觀分析表明，葉輪的鍵槽處存在缺陷，在加工過程中進行過補焊處理，而實際生產過程中補焊后未進行熱處理。金相分析補焊區域裂紋處有氧化物，而在基體斷裂區未發現氧化物，因此補焊區域存在焊接熱裂紋源，再加上未及時進行熱處理進行應力消除，使得葉輪在工作狀態下，受交變工作應力的作用，進一步增加了開裂的趨勢，且裂紋隨著使用時間逐步擴展[7]。

5 結束語

綜上所述，葉輪產生裂紋的主要原因是在對葉輪鑄造缺陷進行處理時，補焊不到位導致裂紋源形成，加上補焊后未及時進行熱處理來消除焊接應力。葉輪在工作過程中受焊接應力的影響，在剛好處于補焊區域的鍵槽直角處產生應力集中，導致裂紋源擴展形成裂紋。