汽輪發(fā)電機鋁風(fēng)葉熱處理后表面異常分析

葛光男，劉 毅，丁軍鋒，戚彩夢

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

鋁合金以其密度低、強度高、熱加工性能好等優(yōu)點，在裝備制造業(yè)、航空航天等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。目前，國內(nèi)外對鋁合金進行了大量的研究，其中Al-Cu-Mg系合金以其高的比強度、比剛度，耐熱性等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于精密儀器、儀表等領(lǐng)域[1]。2A12鋁合金是Al-Cu-Mg系合金可熱處理強化的高強合金，目前較為常見的熱處理方式有固溶處理、時效處理、回歸熱處理和形變熱處理等[2]，主要強化相為θ(CuAl2)、S(Al2CuMg)、MnAl6。

由于2A12鋁合金具有較好的材料特性，被應(yīng)用于汽輪發(fā)電機的風(fēng)葉。鋁風(fēng)葉作為汽輪發(fā)電機的關(guān)鍵部件，對機組運行有重要的作用。通過汽輪發(fā)電機鋁風(fēng)葉的失效形式來探討2A12鋁合金熱處理過程存在的問題，可防止鋁風(fēng)葉失效問題再次發(fā)生。

1 檢測與結(jié)果

1.1 汽輪發(fā)電機鋁風(fēng)葉宏觀形貌檢驗

該失效2A12鋁風(fēng)葉彎型后進行固溶處理，出現(xiàn)變形、裂紋、表面結(jié)疤、結(jié)瘤、氣泡及表面顏色異常現(xiàn)象，其中以表明顏色異常和結(jié)疤、結(jié)瘤宏觀現(xiàn)象為主，如圖1所示。

1.2 化學(xué)成分檢驗

對失效2A12鋁合金風(fēng)葉化學(xué)成分進行檢驗，檢驗結(jié)果如表1所示。由表可知，失效的2A12鋁合金風(fēng)葉化學(xué)成分正常，滿足GB/T 3880標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 2A12鋁風(fēng)葉熱處理后異?，F(xiàn)象

表1 2A12化學(xué)成分檢驗結(jié)果

注： 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3880《一般工業(yè)用鋁及鋁合金板、帶材》的要求。

1.3 金相及SEM檢驗

從1#、3#以及4#2A12鋁合金風(fēng)葉分別取樣進行金相組織檢驗，如圖2、圖3和圖4所示。由圖可知，1#、3#以及4#試樣的金相組織中均表現(xiàn)為：晶內(nèi)出現(xiàn)共晶球、晶界變寬、三叉晶界呈三角形，這是典型的過燒組織特征[3]，表明失效鋁合金風(fēng)葉出現(xiàn)了不同程度的過燒現(xiàn)象。3#表面帶有結(jié)瘤的零件組織異常最大，過燒最為嚴重，其次1#是表面顏色異常零件，最后是4#表面正常零件。

由圖2～圖4可知，每個試樣表面均出現(xiàn)晶粒脫落、晶界及晶內(nèi)析出強化相的現(xiàn)象。由于該批次零件過燒，導(dǎo)致晶界結(jié)合強度大大降低。因此，在磨制試樣的過程中，晶界結(jié)合力較差的晶粒發(fā)生脫落現(xiàn)象。

1.4 斷口分析

從2#試樣開裂的端部以及靠近裂紋底部取2件試樣進行斷口形貌分析，如圖5、圖6所示。由圖可知，裂紋端部斷口為沿晶斷裂+解理斷裂(舌狀花樣)，裂紋底部斷口為沿晶斷裂。

由于該批次鋁合金熱處理過程中已過燒，導(dǎo)致晶界復(fù)熔，降低了晶界原子間的結(jié)合力，大大降低裂紋沿晶界擴展的抗力。裂紋擴展沿著原子結(jié)合力最弱的區(qū)域擴展，固溶冷卻過程中導(dǎo)致沿晶斷裂為主、解理斷裂為輔的脆性斷裂。

圖2 1#試樣金相組織500X及SEM照片

圖3 3#試樣金相組織500X及SEM照片

圖4 4#試樣金相組織500X及SEM照片

圖5 2#端部斷口SEM形貌

2 綜合分析

2A12為Al-Cu-Mg系合金，其三元合金相圖如圖7所示。由圖可知，當(dāng)溫度超過505 ℃后，固溶更加充分，主要強化相顯著減少，但是合金中出現(xiàn)共晶球體和局部晶界復(fù)熔現(xiàn)象(合金過燒)，隨著溫度升高，共晶體復(fù)熔現(xiàn)象更加明顯。由于2A12合金可溶相成分固溶溫度與三元共晶溫度間隔很窄，因此該合金具有強烈的過燒敏感性。

生產(chǎn)中爐溫均勻性較差及熱處理控溫儀表不準(zhǔn)確，導(dǎo)致鋁合金固溶處理溫度過高，產(chǎn)生過燒現(xiàn)象，出現(xiàn)變形、表面結(jié)疤、結(jié)瘤、氣泡及表面顏色異常等現(xiàn)象。

圖6 2#底部斷口SEM形貌

圖7 Al-Cu-Mg系三元合金富鋁一角500 ℃等溫截面圖及變溫截面圖

此外，鋁合金凝固時體積收縮率達6.5%～6.6%。因此，鋁合金水冷過程中，在組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用下會產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，在結(jié)合力較弱的晶界處開裂。

3 結(jié)論及建議

綜合上述分析2A12鋁風(fēng)葉合金失效原因為固溶處理過程中，發(fā)生過燒，晶內(nèi)出現(xiàn)共晶球、晶界變寬、三叉晶界呈三角形，導(dǎo)致原子間結(jié)合力降低，冷卻后出現(xiàn)變形、裂紋、表面結(jié)疤、結(jié)瘤、氣泡及表面顏色異?，F(xiàn)象。

由于鋁合金固溶溫度區(qū)間較窄且與過燒溫度相差很小，具有強烈的過燒敏感性，熱處理過程需對熱處理設(shè)備進行爐溫均勻性及控溫儀表準(zhǔn)確性等方面進行鑒定，鋁風(fēng)葉入爐后需合理擺放。