基于失效分析的給水泵泵軸顯微組織和力學(xué)性能對(duì)比研究

谷樹超，王 松，李 俊

(上海明華電力科技有限公司，上海 200090)

0 引言

給水泵作為電站設(shè)備主要輔機(jī)之一，其安全平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)提高整個(gè)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性及安全性起著至關(guān)重要的作用[1]，給水泵核心部件泵軸因承載較大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、或因運(yùn)行工況的惡化和設(shè)計(jì)、材質(zhì)不良等原因，難免會(huì)發(fā)生泵軸斷裂失效事故[2-5]，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行安全。

某300MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)鍋爐給水泵泵軸斷裂失效，水泵型號(hào)FT7C40，為雙壓定速、7級(jí)離心水泵，設(shè)計(jì)流量434.4t/h，電機(jī)功率2700kW，電壓6000V，轉(zhuǎn)速2980r/min。給泵泵軸通過平鍵連接，進(jìn)行扭矩傳遞。根據(jù)水泵產(chǎn)品質(zhì)量說明書，失效泵軸標(biāo)稱材質(zhì)為17-4PH馬氏體不銹鋼，熱處理方式為1050℃固溶(solution treatment, ST)+520℃時(shí)效(aging treatment, AT)處理，服役時(shí)間約7.5萬h。

本文在對(duì)斷裂泵軸進(jìn)行失效分析的基礎(chǔ)上，選取供貨態(tài)17-4PH合金馬氏體不銹鋼(以下簡(jiǎn)稱“供貨態(tài)試樣”，其熱處理方式和失效泵軸熱處理方式一致)作為對(duì)比試樣，對(duì)其顯微組織、力學(xué)性能及強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并對(duì)失效泵軸與其顯微組織和力學(xué)性能之間的差異進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 實(shí)驗(yàn)儀器與方法

按照標(biāo)準(zhǔn)《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法(常規(guī)法)》(GB/T4336-2016)，使用SPECTROMAXx全定量金屬元素分析儀對(duì)試樣合金成分進(jìn)行分析。利用Stemi 508體式顯微鏡系統(tǒng)對(duì)合金斷口進(jìn)行低倍觀察，按照標(biāo)準(zhǔn)《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》(DL/T884-2019)，使用氯化鐵鹽酸溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕后，利用Axio Oberver.D1m倒置萬能材料顯微鏡對(duì)合金進(jìn)行金相組織觀察。利用掃描電子顯微鏡、高分辨率透射電鏡系統(tǒng)對(duì)合金微觀組織、微區(qū)EDS能譜、析出相形貌及尺寸進(jìn)行觀察分析，所使用的掃描電鏡為FEI公司生產(chǎn)的Quanta FEG450型高分辨掃描電子顯微鏡，其加速電壓200V～30kV，最大束流200nA。透射電鏡為FEI公司生產(chǎn)的場(chǎng)發(fā)射TECNAI F30透射電子顯微鏡，加速電壓為300kV。

TEM樣品制作過程為：首先使用線切割技術(shù)在各管樣基體上截取0.3mm厚的試樣，然后研磨、沖孔得到厚度為80～100μm、直徑為3mm的圓片，最后利用MTP-1A電解雙噴儀對(duì)上述圓片進(jìn)行減薄、腐蝕，雙噴電壓為45V。

按照標(biāo)準(zhǔn)《金屬布氏硬度試驗(yàn) 第一部分：試驗(yàn)方法》(GB/T231.1-2018)，利用UH250布洛維臺(tái)式硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)中力值設(shè)定為125.0kgf，壓頭直徑2.5mm，保持時(shí)間10s。按照標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法 》(GBT228.1-2010)對(duì)各試樣進(jìn)行機(jī)械加工，制取常溫棒狀拉伸試樣，然后使用C45.305微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，對(duì)加工后各試樣進(jìn)行常溫靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，并測(cè)試其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率指標(biāo)，拉伸試驗(yàn)參數(shù)為GB/T228A224，即拉伸控制模式為應(yīng)變速率控制，應(yīng)變速率以平行長(zhǎng)度估算，分別為0.00025S-1(屈服強(qiáng)度之前)和0.00067S-1(屈服強(qiáng)度之后)。為減小試驗(yàn)誤差和偶然數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，所有拉伸試驗(yàn)設(shè)計(jì)三組平行試樣并取其平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀分析

失效泵軸斷口宏觀形貌如圖1所示。由圖可知，泵軸斷裂位置發(fā)生在自由端并進(jìn)螺母位置、螺紋連接處，斷面呈黑灰色，斷面高低落差較大，邊緣區(qū)域有多處扇形臺(tái)階分布，且每個(gè)臺(tái)階面相對(duì)較平細(xì)，呈多源啟動(dòng)的彎曲旋轉(zhuǎn)斷裂特征。進(jìn)一步觀察，“6 點(diǎn)鐘”方向斷面相對(duì)平細(xì)，隱約可見由外向內(nèi)擴(kuò)展的條紋；“2 點(diǎn)鐘”方向臺(tái)階較為明顯，同時(shí)可見由外向內(nèi)擴(kuò)展的條紋；斷面中部近“10 點(diǎn)鐘”方向相對(duì)粗糙，起伏大，擬為終斷區(qū)域。

圖1 失效泵軸斷口宏觀形貌

2.2 斷口掃描電鏡分析

泵軸斷口典型區(qū)域SEM照片如圖2所示。6點(diǎn)鐘方位斷面可見有擠壓擦傷，斷面邊緣沿螺紋根部分布，可見多個(gè)小臺(tái)階，隱約可見由外向內(nèi)擴(kuò)展的條紋(圖2(a))，高倍下斷口呈準(zhǔn)解離形貌，并明顯可見平行的疲勞條帶(圖2(b))。2點(diǎn)鐘方位斷面形貌可見準(zhǔn)解理和沿晶斷裂形貌，并有少量擦傷，局部可見微裂紋存在。泵軸斷裂起始區(qū)未見明顯的冶金缺陷，來樣泵軸斷面特征顯示為多源啟動(dòng)的疲勞擴(kuò)展斷裂。

圖2 斷口微區(qū)掃描電鏡形貌

2.3 化學(xué)成分分析

對(duì)失效泵軸和供貨態(tài)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如表1所示。由表1分析可知，失效泵軸C元素含量較高，合金元素尤其是Ni、Cu元素含量嚴(yán)重不足(分別較正常供貨態(tài)含量低4%和3%)，供貨態(tài)試樣各元素含量均在不銹鋼棒(GB/T1220-2007)范圍之內(nèi)。由此可判斷，失效泵軸材質(zhì)并非17-4PH馬氏體不銹鋼，存在材質(zhì)錯(cuò)用現(xiàn)象。

表1 失效泵軸和供貨態(tài)17-4PH試樣化學(xué)成分 wt%

2.4 金相組織分析

失效泵軸和供貨態(tài)17-4PH試樣光學(xué)顯微照片如圖3所示。由圖可知，失效泵軸組織不均，呈現(xiàn)明顯的偏析現(xiàn)象，金相顯微組織由粗大的馬氏體、較多的殘余奧氏體和鐵素體組成，部分區(qū)域鐵素體呈塊狀分布(圖3(a)～3(c))。

分析表明，失效泵軸組織殘余奧氏體含量較高，與材質(zhì)中較多的含碳量有關(guān)[7-9]，由于碳是主要的奧氏體穩(wěn)定元素，奧氏體中的含碳量越高，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度(Ms～Mf)越低[10-12]，文獻(xiàn)[13]研究結(jié)果表明，當(dāng)碳含量為0.25%，碳當(dāng)量為4.08%，Ms僅為45.3℃。失效泵軸顯微組織偏析及塊狀鐵素體的存在，均會(huì)破壞組織的均勻性，降低材料的強(qiáng)度和韌性，加速材料的失效斷裂[14-15]。供貨態(tài)17-4PH組織光學(xué)顯微鏡下，組織細(xì)小均勻，為馬氏體和少量殘余奧氏體組成，并可見基體彌散分布的第二相析出顆粒(圖3(d))。

圖3 失效泵軸和供貨態(tài)試樣金相組織

2.5 掃描電鏡及透射電鏡分析

對(duì)失效泵軸進(jìn)行SEM分析及微區(qū)EDS分析，其結(jié)果如圖4、圖5所示；其高分辨率透射電鏡場(chǎng)像、顯微圖片和選區(qū)電子衍射分析結(jié)果如圖6所示。

圖4 失效泵軸SEM圖片和EDS能譜分析

圖5 失效泵軸微區(qū)元素分布

圖6 失效泵軸透射電鏡照片

由圖4、圖5可知，失效泵軸組織原奧氏體晶界清晰可見，原奧氏體晶粒內(nèi)，可見有沿不同方向排列的粗大馬氏體板條，相同慣習(xí)面的馬氏體板條平行排列，不同慣習(xí)面的馬氏體束與束之間角度約為60°。原奧氏體晶界和馬氏體晶界有較大尺寸的析出物，析出物聚集長(zhǎng)大，最大析出物長(zhǎng)軸尺寸接近1μm，并呈鏈狀分布，SEM照片顯示晶界或晶粒內(nèi)部未見明顯的其他沉淀強(qiáng)化相存在。

通過對(duì)圖4(c)所示的A、B、C三個(gè)微區(qū)進(jìn)行EDS能譜分析，可以看出尺寸較大的析出物主要為富Cr的碳化物。晶界碳化物尺寸較小時(shí)，可以阻礙晶界滑移，起到一定的強(qiáng)化作用，但碳化物的大量析出、長(zhǎng)大，并呈鏈狀分布在晶界時(shí)，則會(huì)對(duì)晶界起弱化作用，致使界面結(jié)合強(qiáng)度降低，從而容易引起沖擊吸收能量和塑性降低，成為斷裂失效的發(fā)源地[16-19]。

由圖6可知，失效泵軸馬氏體板條邊界含有大量粗化的碳化物，碳化物形貌顯示為長(zhǎng)棒狀，并呈鏈狀連續(xù)分布。碳化物經(jīng)電子衍射標(biāo)定為面心立方結(jié)構(gòu)的M23C6碳化物。從圖6中還可以看出，馬氏體板條的寬度約為0.5μm，部分區(qū)域馬氏體板條結(jié)構(gòu)已發(fā)生碎化，位錯(cuò)密度降低，且位錯(cuò)主要分布在馬氏體板條邊界位置的粗大碳化物附近。通過透射電鏡明場(chǎng)像和暗場(chǎng)像對(duì)比分析，失效泵軸組織未見其它明顯的沉淀強(qiáng)化相存在，晶界上粗大的碳化物對(duì)周圍位錯(cuò)的釘扎作用是決定失效泵軸具有一定力學(xué)強(qiáng)度的主要因素[20-23]。

圖7為供貨態(tài)17-4PH掃描電鏡圖片及微區(qū)能譜分析結(jié)果，由上述SEM照片可知，供貨態(tài)17-4PH組織細(xì)小均勻，由馬氏體和殘余奧氏體組成，高倍照片(×100000)下，清晰可見板條馬氏體組織中所顯露的立體分布形態(tài)[24]，在同一原奧氏體晶粒內(nèi)包含有幾條較為稠密的馬氏體束，馬氏體束之間被高度變形的殘余奧氏體薄膜所隔開，同一板條內(nèi)的馬氏體在空間形態(tài)內(nèi)呈現(xiàn)一致的位向生長(zhǎng)關(guān)系，如圖7(b)、7(c)所示。

進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，馬氏體基體內(nèi)彌散分布有球形的析出相存在，析出相尺寸范圍大約在幾十nm至400nm之間，EDS分析顯示，較大的析出相(區(qū)域A、區(qū)域B)為富Nb相，Nb含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)12.85%，明顯高于基體的Nb含量(0.28%)，圖8所示的微區(qū)Nb元素面掃描結(jié)果也證實(shí)了上述區(qū)域彌散分布的合金化合物為富Nb相。區(qū)域C各元素含量與基體宏觀化學(xué)成分基本一致，這與能譜分析結(jié)果一致，相應(yīng)EDS能譜分析結(jié)果如圖7(d)～7(f)所示。

圖9為供貨態(tài)17-4PH試樣透射電鏡明場(chǎng)顯微組織照片，可以看到明顯的馬氏體板條結(jié)構(gòu)和高密度的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，板條寬度約0.5μm(見圖8(a))，經(jīng)電子衍射分析，較大的球形析出物為fcc結(jié)構(gòu)的NbC沉淀相，其點(diǎn)陣常數(shù)約為0.447nm，顆粒大小為100nm左右，較小的析出物為fcc結(jié)構(gòu)的ε-Cu沉淀相，顆粒大小約幾十nm，并與bcc結(jié)構(gòu)的馬氏體保持嚴(yán)格的共格(K-S)關(guān)系[25]。上述兩種類型、不同尺寸的沉淀合金相彌散分布在合金基體中，通過對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用，為合金提供強(qiáng)化作用[26]。

圖8 失效泵軸微區(qū)元素分布

圖9 供貨態(tài)17-4PH透射電鏡明場(chǎng)照片

圖10為供貨態(tài)17-4PH試樣其他區(qū)域透射電鏡明場(chǎng)像和暗場(chǎng)像照片，從圖中也可以看出，供貨態(tài)17-4PH試樣至少含兩種大小不一的沉淀強(qiáng)化相，尺寸較大的為NbC相，尺寸較小的為ε-Cu相，兩種沉淀強(qiáng)化相的數(shù)量及形態(tài)特征與以往相關(guān)研究相符[12-13]。

圖10 供貨態(tài)17-4PH透射電鏡照片：(a)(c)明場(chǎng)像； (b)(d)暗場(chǎng)像

2.6 力學(xué)性能分析

對(duì)失效泵軸和供貨態(tài)17-4PH試樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)和室溫(25℃)靜拉伸試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。由圖可以看出，失效泵軸材質(zhì)硬度和強(qiáng)度明顯低于供貨態(tài)17-4PH試樣，也不滿足GB/T1220-2007對(duì)于該材料的最低強(qiáng)度要求(620℃時(shí)效時(shí)的最低屈服強(qiáng)度725MPa，最低抗拉強(qiáng)度930MPa)，從材料強(qiáng)度指標(biāo)方面證實(shí)失效泵軸材質(zhì)欠佳。另一方面，供貨態(tài)17-4PH強(qiáng)度指標(biāo)滿足上述標(biāo)準(zhǔn)使用要求，無論是硬度還是靜拉伸顯示的強(qiáng)度指標(biāo)與以往的研究基本一致[27-28]。

圖11 失效泵軸和供貨態(tài)17-4PH硬度和拉伸性能

2.7 綜合分析

17-4PH鋼主要靠固溶后的馬氏體相變強(qiáng)化和時(shí)效處理產(chǎn)生共格沉淀相提供強(qiáng)化作用[29]。而彌散分布的NbC、ε-Cu等納米沉淀相是其強(qiáng)度的主要來源。由失效泵軸化學(xué)成分分析結(jié)果可知，泵軸材質(zhì)化學(xué)成分C含量較高，Cr、Ni、Cu等合金元素含量大幅度偏低，失效泵軸存在材質(zhì)錯(cuò)用現(xiàn)象，這一方面會(huì)減小不銹鋼熱處理時(shí)的奧氏體區(qū)，使合金微觀組織鐵素體含量偏高，另一方面也會(huì)減弱合金元素的彌散強(qiáng)化作用，使合金力學(xué)性能進(jìn)一步明顯降低。由金相分析可知，泵軸微觀組織晶粒較為粗大，且含有較高含量的鐵素體和殘余奧氏體，這既有損于合金強(qiáng)度，也使其耐蝕性能降低。而力學(xué)性能試驗(yàn)證實(shí)，失效泵軸材質(zhì)無論硬度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均大幅低于17-4PH材料下限。綜上分析，給水泵泵軸材質(zhì)的錯(cuò)用使泵軸綜合力學(xué)性能降低，引起承載極限降低，在應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生疲勞裂紋，導(dǎo)致泵軸斷裂失效。

3 結(jié)論

(1)給泵泵軸材料錯(cuò)用和較多的鐵素體和殘留奧氏體的存在, 以及不能有效析出沉淀強(qiáng)化相，降低了材料的綜合性能, 這是引起泵軸早期疲勞斷裂的主要原因。

(2)失效泵軸顯微組織較供貨態(tài)17-4PH材料存在明顯的差異，其力學(xué)性能亦顯著降低，供貨態(tài)17-4PH試樣細(xì)小均勻的馬氏體柱狀結(jié)構(gòu)，彌散分布的NbC、ε-Cu等納米沉淀相是引起材質(zhì)強(qiáng)度升高的主要原因。

(3)在日常生產(chǎn)過程中，應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)材料的成分控制和材料驗(yàn)收管理，加強(qiáng)日常的金屬監(jiān)督工作。