GH864高溫合金磨削裂紋分析*

蘇 和 盧 綱

1.甘肅省煉化特種裝備工程技術研究中心 蘭州 730060

2.渤海裝備蘭州石油化工裝備分公司 蘭州 730060

1 分析背景

GH864高溫合金是一種以金屬間化合物γ′相強化的時效硬化型鎳基高溫合金[1]。GH864高溫合金具有良好的耐燃氣腐蝕能力、較高的高溫抗拉強度和持久性能,廣泛用于石油化工設備和航空航天領域的熱端部件。例如催化煉化裝置用煙氣輪機的動葉片和渦輪盤,使用GH864高溫合金制造,運行工況下溫度達到700 ℃,設計使用壽命達10萬h,體現出優良的高溫性能。GH864高溫合金是一種難加工金屬材料,在最終熱處理狀態下具有硬度高、韌性大的特點[2]。對于車、銑、鉆、鏜等加工而言,體現為切削抗力大,刀具磨損快,加工效率低。對于磨削加工而言,體現為磨削表面的完整性不佳。

筆者針對GH864高溫合金,進行磨削裂紋分析。

2 問題概述

在外圓磨床磨削GH864高溫合金的葉片頂部圓弧面時,著色檢查偶爾能發現有表面裂紋的情況,如圖1所示。裂紋位于葉頂弧面中部,肉眼較難發現。通過著色滲透檢查,可以清晰看到裂紋呈網狀成片分布,網格大小不超過2 mm,深度淺。對于這些裂紋,用金相砂紙可以打磨消除。

圖1 GH864高溫合金磨削裂紋

在一次強力磨磨削葉片根部榫齒型面時,發現另一種裂紋情況,如圖2所示。裂紋位于齒槽底部,長短不一,長裂紋由短裂紋擴展連接形成,有順齒槽延伸的趨勢,深度較深,局部超過0.5 mm,肉眼和著色檢查均清晰可見,造成加工零件直接報廢。后經確認,此裂紋是由磨床設備故障引起的。

圖2 另一種磨削裂紋

葉片是煙氣輪機熱端的核心轉動部件,在設備運轉中起至關重要的作用。雖然以上兩種裂紋是偶然出現,但是絕不能掉以輕心,有必要對裂紋的產生原因及機理進行分析研究[3-5]。

3 裂紋產生原因

通過對裂紋觀察分析,發現一些特征。一是無論葉頂還是葉根,裂紋主要出現在磨削時較封閉的表面上,這些空間散熱差,冷卻液也不容易冷卻。二是葉頂部的裂紋網格大小與相應熱處理后GH864高溫合金的宏觀晶粒尺寸大小一致,可以判定裂紋為晶界裂紋。三是葉根部位裂紋區域表面為發亮白色,表面還有許多黑色麻點分布,如圖3所示,這些都是材料高溫燒傷的表現。由此,可以初步確定裂紋的產生與磨削表面高溫有關。

圖3 葉根表面情況

4 裂紋產生機理

從磨削裂紋特征看,裂紋經歷了產生和擴展兩個過程,同時,裂紋產生的時間很短。也就是說,裂紋是在高溫下很快產生的,由此分析裂紋產生的機理。

根據文獻[1]的理論,高溫合金的晶界在高溫下表現為薄弱環節,在高溫和應力的作用下,首先在晶界產生裂紋,這也是高溫合金晶界強化的重要原因。根據文獻[6]的理論,GH864高溫合金切削抗力大,磨削加工易產生局部高溫,同時對工件施加往復磨削力,砂輪振動引起的高頻循環應力也較大,這就具備了高溫和應力條件。特別是前述第二種裂紋是設備故障情況下產生的,磨床工作臺爬行故障,造成磨削區高溫,砂輪主軸軸承故障,造成砂輪在磨削中振動嚴重。

一定溫度下循環應力造成的金屬材料裂紋的起始和擴展過程如圖4所示。在循環應力的作用下,首先產生晶間位錯,然后位錯不斷堆積形成空穴。接著空穴滑移增長形成枝晶或指狀空穴,進而出現微觀裂紋起始和微觀裂紋擴展。當微觀裂紋的長度達到0.8～1mm時,便形成工程檢測手段能夠檢測到的宏觀裂紋。宏觀裂紋經擴展、延續和連接,形成宏觀主裂紋。

圖4 金屬材料裂紋起始和擴展過程

5 裂紋關系分析

5.1 溫度與裂紋產生的關系

溫度與應變和表面裂紋起始的關系如圖5所示。圖5中,縱軸為循環應力下試件最大應變與最小應變的范圍,橫軸為試件達到1 mm表面裂紋起始的壽命。從圖5中可以看出,隨著溫度的提高,曲線向左下方移動。也就是說,溫度越高,達到1 mm表面裂紋起始所需要的總應變范圍就越小,相應的循環應力也就越小。同樣,在循環應力一定的情況下,溫度越高,達到1 mm表面裂紋起始的時間越短。這種關系可以解釋在葉片的磨削過程中,當有超過允許的高溫情況時,磨削裂紋可以很快產生。

圖5 溫度與應變和表面裂紋起始關系

5.2 溫度與裂紋擴展的關系

裂紋擴展與溫度的相關性如圖6所示,縱軸為裂紋擴展率,表示在一定循環次數下裂紋擴展的速率,橫軸為溫度的倒數。從圖6中可以看出,在應力循環頻率不變的情況下,溫度越高,裂紋擴展率越高,而且呈非線性幾何級數提高。因此,裂紋擴展對溫度提高更為敏感。早期微小裂紋在后期磨削中繼續經受高溫和循環應力時,就會快速擴展,從而產生大的裂紋,如圖7所示。

圖6 裂紋擴展與溫度相關性

圖7 裂紋擴展

根據GH864高溫合金的熱處理性能,當溫度高于980 ℃時,合金中晶界γ′強化相開始融入基體,晶界強化作用減弱,合金的機械性能開始急劇下降[7-8]。此時受應力作用,合金將會從晶界發生滑移,然后發生蠕變等塑性變形。如果應力為循環交變應力,那么為微裂紋的產生創造了條件,將會發生從微觀裂紋到宏觀裂紋,再到裂紋擴展的過程,直到斷裂失效[9]。這個過程的快慢與溫度和所受循環應力有直接關系,這就是GH864高溫合金磨削裂紋產生的原因和機理。

6 結束語

GH864高溫合金磨削裂紋是一種表面裂紋,根據產生過程和嚴重程度可以分為微觀裂紋和宏觀裂紋,長度達到0.8～1 mm時為宏觀裂紋起始,通過著色檢查或X光射線檢測都可以檢測發現。第二種裂紋,即葉片齒根的強力磨磨削裂紋,是筆者多年來首次遇到,對此提取樣本,分析研究,結合較為常見的葉頂磨削裂紋情況進行研究,得出結論。

高溫過燒是造成GH864高溫合金出現磨削裂紋的基礎條件[10]。GH864高溫合金雖然經過1 070 ℃固溶處理、845 ℃穩定化處理和760 ℃時效處理,并且在815 ℃以下的高溫使用,但是精加工過程中的高溫過燒還是非常有害的。

高溫過燒與循環應力產生應變是GH864高溫合金產生磨削裂紋的直接原因。在高溫情況下發生循環應變,材料表面將迅速產生裂紋,并且高溫對裂紋的擴展有重要加速作用。

GH864高溫合金的磨削裂紋區具有明顯的表面特征,在批量生產過程中,可以根據表面特征及早發現磨削裂紋,并采取措施避免磨削裂紋的批量出現。