基于ANSYS的耐熱鋼高溫磨損性能研究

新巴雅爾,辛英臣,孫思意,卜 凡

(內蒙古工業大學材料科學與工程學院 內蒙古 呼和浩特 010051)

1 引言

壓氣機是燃氣輪機的關鍵部件之一,主要由機匣、轉子葉片和靜止葉片三大部分組成。由于轉子葉片轉速高、形體單薄、載荷狀況嚴酷,使其成為發動機使用故障率最高的零部件之一[1]。葉片和機匣之間的摩擦不僅會影響壓氣機的壓氣比,甚至會引起轉子葉片的斷裂,是導致葉片失效的主要原因之一[2],壓氣機葉片失效問題一直受到廣大科學工作者的關注。

賴安卿等[3]研究了壓氣機邊緣磨損對其性能的研究,發現前緣磨損會導致壓比、效率降低;宋國明[4]對低壓壓氣機轉子葉片進行斷裂分析,發現葉片的主要失效原因為盤和葉片的配合不良引起的磨損;李飛舟等[5]研究了摩擦速度對高速鋼磨損性能的影響;陳磊等[6]研究了不同壓力、不同速度條件下熱作模具鋼的磨損行為;吳濤等[7]模擬了滑動速度和摩擦系數的變化對輪軌摩擦生熱的影響。摩擦磨損方面多為研究外界條件,如壓力、速度等對磨損的影響,對于材料自身特性,如硬度變化對磨損特性的影響較少;數值模擬方面多為研究常溫摩擦過程中的應力應變分布,且多為單次摩擦,與實際工況差別較大,對于高溫條件下,多次摩擦時應力應變及瞬態溫度變化的模擬研究幾乎沒有。

本研究以壓氣機中葉片轉子與機匣摩擦導致葉片失效為背景,選用壓氣機葉片常用材料馬氏體沉淀硬化型耐熱鋼S51740(05Cr17Ni4Cu4Nb)[8],針對其高溫硬度對高溫磨損特性的影響進行研究,并結合有限元數值模擬,通過熱固耦合,對循環摩擦過程中的瞬態應力應變及溫度變化進行研究,更加準確的分析材料的失效特點。本研究對進一步延長材料服役時間,減緩磨損失效具有一定的參考價值。

2 試驗材料

本實驗使用的S51740耐熱鋼化學成分如表1所示。熱處理前的金相組織如圖1(a)所示,組織較為粗大,經過如圖1(b)所示的熱處理工藝加工后金相組織如圖1(c)所示,獲得了板條狀馬氏體組織及細小且彌散的沉淀相[9]。常溫下維氏硬度為454HV。

圖1 金相顯微組織及熱處理工藝)

表1 化學成分

3 實驗方法

使用HT-1000高溫滑動摩擦磨損試驗機和HVT-1000高溫真空硬度計分別進行高溫摩擦磨損實驗及高溫硬度測量。試樣尺寸均為30 mm×30 mm×3 mm,其他實驗條件如表2所示。

表2 實驗條件

根據高溫硬度換算成抗拉強度[10],將抗拉強度轉換成屈服強度[11],并通過德國耐馳LFA-427激光熱導儀、高溫同步熱分析儀、德國耐馳熱膨脹儀的測量及JMat Pro的計算,確定了該材料的高溫物理特性,物理性能參數如表3所示。

表3 物理性能參數

基于 ANSYS LS-DYNA 利用以上數據,創建了高溫摩擦磨損有限元模型,摩擦球模型尺寸為φ6 mm,鋼件模型尺寸為φ10 mm×0.8 mm,鋼件模型最小單元尺寸為100 μm×200 μm×300 μm,二者單元總數分別為4000和9600,摩擦數值模擬模型如圖2所示,模擬試驗中。摩擦球Si3N4采用剛體材料模型,忽略其變形影響;鋼件采用與溫度相關的雙線性各向同性彈塑性材料模型;接觸類型為熱固耦合接觸,接觸面和目標面之間熱分布的權重系數為0.5,即熱量平均分配給摩擦球模型和鋼件模型;摩擦系數為0.5[12];邊界條件,只考慮兩接觸表面間的熱傳導,因其工作在高溫環境,受環境溫度影響較小,因此忽略摩擦副與空氣的熱輻射和熱對流;摩擦生熱的主要形式為機械功轉換為熱量,轉換比例為0.9[13]。為了使磨損效果更加明顯,在合理范圍內,將壓力提升為20 N,轉速提高到20 r/s。通過熱固耦合數值模擬,得出該材料在不同溫度條件下在摩擦過程中的表面形貌、應力應變分布及瞬態溫度變化。結合實物實驗結果,總結得出高溫硬度變化對高溫磨損特性的影響機制。

圖2 高溫摩擦磨損數值模擬模型

4 試驗結果與討論

4.1 高溫真空硬度實驗結果

高溫硬度變化如圖3所示,隨著溫度升高材料硬度逐漸下降,從400 ℃到600 ℃硬度下降較小,從600 ℃到800 ℃硬度下降明顯。分析原因為材料Ac1溫度為670 ℃,Ac3溫度為740 ℃[14],在400 ℃到600 ℃內,主要因高溫軟化作用,材料硬度降低,800 ℃超過了材料的奧氏體化溫度,發生了相變,硬度下降較為明顯。

圖3 高溫硬度隨溫度變化曲線

4.2 高溫摩擦磨損實驗結果

4.2.1 磨損量變化

不同溫度條件下的磨損量如圖4所示。磨損量隨溫度升高而逐漸降低。400 ℃和600 ℃,磨損量較大,800 ℃磨損量較小。從圖3和圖4可以看出,雖然高溫硬度逐漸降低,但是高溫磨損量并沒有隨硬度的降低而增加,反而磨損量減少,這與硬度和磨損量呈正比關系的普遍觀念不相符,可以推斷,隨溫度升高,材料硬度降低,磨損形式可能發生了變化。為了進一步分析其原因,進行了磨損表面微觀形貌觀察和摩擦系數變化規律分析。

圖4 磨損量隨溫度變化曲線

4.2.2 磨損形貌變化

磨損形貌如圖5所示。400 ℃時宏觀看磨痕較為平整(圖5(a)),微觀看有明顯的梨溝(圖5(d)),磨損形式主要以磨粒磨損為主。600 ℃時宏觀觀察到磨痕出現粗細不均的現象(圖5(b)),微觀觀察到既有梨溝也有黏著拖動(圖5(e)),磨損形式既有磨粒磨損又有黏著磨損。然而800 ℃時宏觀角度,能明顯看到磨痕出現多個條狀凹坑(圖5(c)),微觀角度,表面較為光滑,有材料局部脫落的現象(圖5(f)),磨損形式主要以黏著磨損為主。表明隨材料硬度降低,磨損形式發生了轉變,硬度較高時,材料具有較高的承載能力,磨損主要是摩擦球對材料外表面的切削作用所引起的。隨著硬度降低,材料承載能力下降,在法向載荷作用下,發生塑性變形的程度增加,磨痕中心出現明顯的凹坑,兩側翻唇現象越發明顯,磨損形式主要是黏著節點處的材料從一個材料表面遷移到另一材料表面,材料較少發生脫落[15]。

圖5 磨損形貌

4.2.3 摩擦系數變化

摩擦系數如圖6所示。磨損過程大致可分為初期磨合階段、穩定磨損階段和急劇磨損階段三個階段[16],由摩擦系數可以看出,400 ℃時在初期磨合階段摩擦系數短暫下降之后快速上升,隨后進入穩定磨合階段,沒有發生急劇磨損。600 ℃時初期磨合階段,摩擦系數較400 ℃略高,之后緩慢上升,達到穩定磨損階段。800 ℃時初期磨合階段很短,很快進入穩定磨損階段,之后摩擦系數緩慢增加,沒有發生急劇磨損,且摩擦系數較400 ℃和600 ℃明顯降低。表明摩擦力會隨硬度變化而變化,硬度較高時,摩擦副間相互作用力較大,摩擦系數較大。隨材料硬度降低,抵抗摩擦能力下降,相互作用力降低,摩擦系數較小。隨著硬度降低,摩擦系數由劇烈波動的磨合階段進入穩定磨損階段的時間逐漸減少,表明材料硬度越低,磨損越為劇烈,使得摩擦表面更快被磨到較為穩定的階段。

圖6 摩擦系數

通過磨損形貌觀察和摩擦系數分析,發現隨材料硬度降低,磨損形式確實發生了變化,逐漸從磨粒磨損向黏著磨損轉變,從摩擦球的切削作用逐漸轉變為摩擦球推動材料發生塑性變形,因切削作用的材料去除率高,而塑性變形材料去除率低,所以反映到磨損量上為隨硬度降低,磨損量降低。實驗驗證了對磨損量隨硬度降低而降低是磨損形式轉變的猜想。但是實驗仍然只能通過最終結果分析原因,對磨損發生的過程是無法考量的。為了能夠更加清晰準確的對磨損過程進行分析,本實驗結合有限元數值模擬的方法,對磨損過程中瞬態的應力應變分布、磨損形貌及瞬態溫度進行仿真模擬,從微觀角度解釋磨損發生的整個過程,對全面解釋磨損機理具有重要參考價值。

4.3 數值模擬試驗結果討論

4.3.1 應力分布情況

圖7((a)(b)(c))為不同溫度條件下,經過三次摩擦后鋼件模型上表層有效應力分布情況,圖7((d)(e)(f))為經過三次摩擦后鋼件模型磨痕截面應力分布情況。由圖可知,材料隨溫度升高,應力逐漸降低,最大有效應力分別為0.3336 GPa、0.3170 GPa和0.2372 GPa。分析原因為隨溫度升高,材料硬度降低,在摩擦過程中相互作用力下降所致;隨溫度升高,正面和截面的摩擦影響區逐漸增大,由正面應力分布情況可知400 ℃時的影響寬度為1 mm左右,600 ℃時為1.2 mm左右,800 ℃時為1.5 mm左右。分析原因為隨溫度升高,材料硬度降低,承載能力下降,在法向應力的作用的下,塑性變形加劇,磨痕加深,摩擦副間接觸面積增大,作用力被分散。應力大小及分布與摩擦實驗結果一致。

圖7 表面和截面應力分布

4.3.2 磨痕截面變形特點

不同溫度條件下,經過三次摩擦后,摩擦痕跡截面變形情況如圖8(a)所示。由圖中可看出,隨溫度升高,材料變形加劇,在800 ℃時,變形尤為明顯。磨痕中心主要受壓應力,向下凹陷,兩側有翻唇現象發生。表明硬度變化與材料磨損變形有直接關系,硬度較低時,會發生顯著的塑性變形。模擬試驗結果解釋了800 ℃時磨痕中心出現凹坑的原因。圖8(b)為600 ℃時三次摩擦后摩痕的截面形貌,由圖可知,摩擦影響區隨摩擦次數的增加逐漸擴大,磨痕的深度逐漸加深,兩測的翻唇現象越發明顯。表明摩擦次數的增加,會加劇材料的磨損。但隨摩擦次數的增加,變形增幅有減小的趨勢,表明材料有加工硬化的現象。

圖8 摩擦痕跡截面形貌

4.3.3 瞬態溫度變化

圖9(a)為磨痕中心單元在摩擦過程中的溫度變化,由圖中可以看出,當有摩擦發生后,單元溫度會有瞬態升高,升高幅度在10 ℃到18 ℃之間,隨后中心溫度較高的單元會以熱傳導的形式向鄰近單元傳遞熱量,使得中心單元溫度快速下降,鄰近單元溫度緩慢上升;隨摩擦次數增加,材料溫度累積升高,由于前一次的摩擦熱在后一次發生摩擦時仍有余熱,所以溫度會累積升高,由此可推測,若在較高的摩擦頻次情況下,溫度累積升高現象會更加明顯,所以高頻率快速的摩擦會使材料溫度快速上升,影響材料局部硬度,加速材料的磨損;三個溫度對比表明溫度越低,摩擦升溫現象越明顯。圖9(b)為沿鋼件模型半徑方向,從磨痕中心單元到模型邊界單元,600 ℃時隨時間變化的溫度變化情況(取單元的中心到磨痕中心的距離代表每個單元),圖9(c)為從磨痕中心點沿鋼件模型厚度方向向下的多個單元溫度隨時間變化的情況。由圖可知,磨痕中心單元的鄰近單元同樣會隨摩擦次數的增加,溫度逐漸累積升高,并且較表面單元的溫度升高有明顯的滯后現象,距離表面單元距離越遠,溫度上升滯后現象越明顯。原因為鄰近單元的熱能,大多來自于表面中心單元的熱傳遞,距離越遠,需要熱傳遞的時間越長。經過三次摩擦后,熱影響區在2 mm左右,隨摩擦次數及速度的增加,熱影響區會累積增加。由此可見,高頻高速的摩擦,必然會使材料局部快速升溫,使材料硬度降低,加速其摩擦磨損。有效降溫,或控制摩擦發生頻次,對延長材料的使用壽命至關重要。

圖9 溫度變化

5 結論

1) 隨溫度升高,材料硬度逐漸降低,400 ℃和600 ℃時硬度降低較為小,800 ℃時硬度下降較為明顯。隨硬度降低,磨損形式由磨粒磨損向黏著磨損過度,摩擦系數由劇烈波動的磨合階段進入穩定磨損階段的時間逐漸減少。硬度的變化會直接影響磨損形式,進而影響磨損量。

2) 隨材料硬度降低,摩擦過程中應力逐漸減小,影響區逐漸增加,應變逐漸增大,材料的硬度變化會直接影響其塑性變形特點。隨摩擦次數的增加,材料局部溫度累積升高,會加速材料的磨損。

3) 51740耐熱鋼在600 ℃以下,具有較好的力學性能,是材料適宜的使用溫度。有效控制摩擦發生的頻次,或及時有效降低材料溫度,對延長材料的使用壽命具有重要意義。