文／周天朗，劉仁培，常超，沈永華·南京航空航天大學(xué)

葉片熱作模具斷裂失效研究

文／周天朗，劉仁培，常超，沈永華·南京航空航天大學(xué)

葉片熱作模具的壽命往往遠(yuǎn)低于其他熱作模具壽命，引起葉片模具失效的因素是復(fù)雜的。由于葉片模具工作時(shí)常處于高溫、高應(yīng)力的惡劣狀態(tài)下，導(dǎo)致模具易發(fā)生早期失效。失效形式主要有開裂、變形、熱疲勞和磨損，其中開裂為葉片熱作模具最主要的失效形式。本文通過對(duì)失效后模具的力學(xué)性能檢驗(yàn)分析、組織形貌觀察和應(yīng)力溫度分析，綜合這三方面的結(jié)果，并結(jié)合葉片熱作模具熱處理工藝、工況條件來分析模具發(fā)生斷裂失效的主要原因。

葉片是汽輪機(jī)和燃汽輪機(jī)中的關(guān)鍵部件，它是由熱鍛模具鍛造而成。葉片的型面復(fù)雜，截面寬厚比大，而且各截面之間有一定的轉(zhuǎn)角，有些葉片還帶有圍帶和凸臺(tái)，工作條件比較惡劣，其材料一般為價(jià)格比較昂貴的難變形材料。由于葉片的品種多、數(shù)量大、材料先進(jìn)、型面復(fù)雜、內(nèi)部質(zhì)量和外部質(zhì)量要求高，而且機(jī)械加工難度大，所以人們針對(duì)葉片這一類特殊零件，投入大量的人力、物力研究各種葉片成形技術(shù)和工藝。由于不同的鍛造成形工藝對(duì)葉片的力學(xué)性能影響不同。優(yōu)質(zhì)的葉片鍛造成形工藝能夠改善零件的微觀組織結(jié)構(gòu)，所以優(yōu)化葉片鍛造成形工藝在葉片成形中至關(guān)重要。針對(duì)葉片生產(chǎn)中常見的模具失效形式對(duì)葉片熱鍛模具進(jìn)行失效分析，對(duì)葉片熱鍛模具的早期失效進(jìn)行預(yù)防，從而達(dá)到提高模具使用壽命的目的，并且保證葉片生產(chǎn)的質(zhì)量與效率，節(jié)約模具失效造成的損失，從而達(dá)到提高企業(yè)效益的目的。

在模具壽命研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多通過分析主要失效形式來預(yù)測(cè)模具壽命。在國(guó)外關(guān)于材料失效分析有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史，總的看來國(guó)外對(duì)失效分析的重視程度遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)，中國(guó)現(xiàn)代失效分析雖然起步較晚，但與美、英、日、德等先進(jìn)國(guó)家相比，差距正日益縮小。國(guó)內(nèi)某葉片公司通過對(duì)一批熱鍛模具使用壽命的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，使用壽命較短的熱鍛模的壽命在200件左右，使用壽命較長(zhǎng)的在1100～1400件，模具壽命很不穩(wěn)定，平均壽命在400件左右，大部分的葉片模具失效是由于斷裂。本文將通過研究葉片模具開裂來提高葉片模具的使用壽命。

材料和加工方法

本文介紹的葉片材料為17-4PH馬氏體不銹鋼合金，其具有高強(qiáng)度、高硬度和抗腐蝕等特性。經(jīng)過熱處理后，葉片的力學(xué)性能進(jìn)一步提高，耐壓強(qiáng)度可以達(dá)到1100～1300MPa，對(duì)大氣及稀釋酸或鹽都具有良好的抗腐蝕能力。17-4PH不銹鋼主要力學(xué)性能如表1所示。

表1 17-4PH合金不同溫度下力學(xué)性能

鍛壓設(shè)備為35MN鍛壓機(jī)，鍛造葉片前模具預(yù)熱至240℃，葉片坯料加熱至1120～1150℃，終鍛溫度需高于850℃，葉片坯料與模具接觸時(shí)間約4s，葉片模具型腔的瞬時(shí)溫度可增高至500℃，該過程中噴石墨潤(rùn)滑冷卻一次。模具材料為5CrNiMo，以試樣硬度41HRC為例，其高溫拉伸及沖擊性能如表2所示。

5CrNiMo鋼是沿用已久的成熟鋼種，具有較好的淬透性。某葉片公司對(duì)葉片熱鍛模具的失效進(jìn)行調(diào)查，模具的失效形式及失效原因比例如表3。

根據(jù)表3可以分析得出，葉片熱作模具主要失效形式有斷裂失效、磨損失效、變形失效和熱裂紋。根據(jù)表中所提供的數(shù)據(jù)可以分析出，其中斷裂失效占模具失效總數(shù)的73%，是葉片熱鍛模具發(fā)生失效的最主要形式。斷裂失效是葉片熱作模具致命的失效方式，意味著模具的徹底報(bào)廢。本文將采用試驗(yàn)與模擬的方法進(jìn)行模具斷裂機(jī)理的探究。

試驗(yàn)結(jié)果與分析

開裂失效模具成分檢測(cè)

模具鋼化學(xué)成分見表4，化學(xué)成分分析即是檢驗(yàn)材料整體或局部區(qū)域的成分是否符合設(shè)計(jì)要求。化學(xué)成分對(duì)材料的性能有著決定性的影響。某些元素的化學(xué)成分不足，必定影響熱處理效果。根據(jù)化學(xué)成分分析結(jié)果，將該批次5CrNiMo模具鋼化學(xué)成分與GB/T 1299-2000標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)成分進(jìn)行對(duì)比，主要元素含量與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并無很大差異。因此可以判定該材料的化學(xué)成分不會(huì)對(duì)模具的熱處理產(chǎn)生影響。

表2 5CrNiMo高溫拉伸及沖擊性能(試樣硬度41～41.6HRC)

表3 模具失效原因及失效比例

表4 模具鋼化學(xué)成分

表5 模具鋼硬度檢測(cè)結(jié)果

開裂失效模具力學(xué)性能檢測(cè)

⑴ 失效模具硬度測(cè)試結(jié)果。

探傷后模具形貌，如圖1所示。由圖1可以清晰的看出開裂裂紋。裂紋位于葉片熱鍛模具葉根鍛造部位，裂紋長(zhǎng)度約為360mm。葉片熱作模具除承受機(jī)械力外，還有熱應(yīng)力和組織應(yīng)力作用，組織中不同的相在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的性能變化不同，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。葉片模具在急冷急熱溫度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，因此內(nèi)應(yīng)力過大是導(dǎo)致模具開裂失效最主要的原因。葉片熱作模具硬度的測(cè)量位置如圖2所示。位置1位于葉冠，位置2位于葉根，每個(gè)位置周圍選取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行硬度測(cè)量。兩個(gè)測(cè)量位置的模具鋼硬度檢測(cè)結(jié)果匯總見表5。

圖1 模具形貌

圖2 葉片熱作模具硬度的測(cè)量位置

根據(jù)表5模具鋼硬度檢測(cè)結(jié)果，模具型腔裂紋位置硬度值為30.9HRC左右，模具型腔設(shè)計(jì)硬度為36～38HRC，失效后模具裂紋處型腔硬度值降低。

⑵模具沖擊試驗(yàn)結(jié)果分析。

失效后模具裂紋附近模具試樣的沖擊 韌 性 分 別 為31.3J、28.1J、30.7J，而GB/T 1299-2000中規(guī)定的5CrNiMo模具鋼沖擊韌性為32～34J，失效后模具發(fā)生斷裂附近的基體沖擊韌性稍有降低。

⑶模具鋼拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析。

由失效后模具鋼的拉伸試樣室溫的拉伸試驗(yàn)，得到3個(gè)試樣室溫抗拉強(qiáng)度分別為907.8MPa、1189.4MPa、1032.5MPa，低于標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1299-2000中規(guī)定的5CrNiMo的抗拉強(qiáng)度下限，說明該部位模具金屬?gòu)?qiáng)度嚴(yán)重下降。

開裂模具顯微組織觀察結(jié)果

⑴顯微鏡缺陷檢驗(yàn)結(jié)果分析。

將斷口背部面進(jìn)行研磨，作酸洗低倍觀察，進(jìn)行觀察后酸洗面上并沒有發(fā)現(xiàn)縮孔、裂紋、氣泡和夾雜團(tuán)類異常缺陷。但是在斷裂源處切取的試樣小塊，磨制成金相拋光面試樣，將其置于光學(xué)顯微鏡下，可發(fā)現(xiàn)存在少量氧化物或硫化物夾雜分布。

從低倍酸蝕試驗(yàn)和顯微觀察試驗(yàn)結(jié)果分析可得出，酸蝕檢驗(yàn)沒有發(fā)現(xiàn)大夾雜團(tuán)、白點(diǎn)、偏析等其他類異常冶金缺陷，但是在裂紋源取樣、試樣經(jīng)過處理后發(fā)現(xiàn)有少量夾雜物分布，夾雜物會(huì)導(dǎo)致在高應(yīng)力作用下萌生裂紋，為模具的開裂失效提供了有利條件。

⑵試樣用4%硝酸酒精腐蝕后觀測(cè)金相組織，通過觀察結(jié)果分析后，認(rèn)定回火索氏體、針狀下貝氏體和下貝氏體呈現(xiàn)較長(zhǎng)的黑針狀。原奧氏體晶界存在呈羽毛狀的微量先共析鐵素體，認(rèn)定組織為上貝氏體。

模具基體組織中不全為回火索氏體，組織中存在明顯的針狀下貝氏體，原奧氏體晶界還有少量先共析鐵素體，有的呈羽毛狀平行排列，屬于上貝氏體。這點(diǎn)說明回火前組織不全為馬氏體。這種貝氏體和鐵素體的存在是由于淬火過程中冷卻速度較慢，模具未完全淬透所形成的，它導(dǎo)致了模具強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性的下降，極易造成模具的斷裂失效。

5CrNiMo鋼熱鍛模由于在調(diào)質(zhì)過程中淬火冷卻速度較慢，未完全淬成馬氏體，心部存在一定量的中溫轉(zhuǎn)變組織即貝氏體，它導(dǎo)致了模具強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性的下降，該模具在剛熱鍛時(shí)就發(fā)生開裂，與這種熱處理的目標(biāo)組織存在差異有密切關(guān)系。

斷口微觀觀察結(jié)果

模具斷口宏觀形貌，如圖3所示?？梢钥闯銎鋽嗝嫫教蛊鸱苄。派浼y路起源于模具根部，斷口周圍無明顯變形，只有在模具底面有微量的剪切唇。斷口微觀照片如圖4、圖5所示。

模具斷面處污染嚴(yán)重，經(jīng)多次清洗之后，將試樣置于掃描電鏡下觀察，模具試樣斷口主要是穿晶解理特征，局部有少量延晶裂紋，整個(gè)斷口上不存在大夾雜團(tuán)類和孔洞等異常冶金缺陷。

圖3 模具斷口宏觀形貌

圖4 開裂面解理斷裂特征

圖5 局部延晶裂紋

應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算

根據(jù)模具的工況條件，利用有限元軟件對(duì)其鍛造過程進(jìn)行模擬，選取具有代表性的應(yīng)力分布圖，如圖6所示。

根據(jù)圖6可以看出葉片模具在鍛造葉片過程中的應(yīng)力集中部位，以及鍛造過程中的應(yīng)力沿型腔分布。鍛造開始時(shí)，葉根型腔與葉身型腔過渡凸臺(tái)處首先受到應(yīng)力，隨著鍛造的進(jìn)行，應(yīng)力分布向葉身型腔擴(kuò)展，最終在葉身型腔尾部產(chǎn)生最大應(yīng)力。并且應(yīng)力最大部位全部集中于模具中軸線處（即模具型腔最低處），且在從型腔軸線處向橋部擴(kuò)展的過程中應(yīng)力逐漸降低。根據(jù)以上模擬過程可知，模具葉根型腔所受應(yīng)力較大，與模具失效情況正好相符合。模具型腔在鍛造過程中應(yīng)力500～600MPa，應(yīng)力最大值瞬間可以達(dá)到700MPa。模具瞬間遭受巨大沖擊，由于模具鋼材料韌性較低，模具發(fā)生開裂。模具型腔表面溫度分布，如圖7所示。

圖6 具有代表性的應(yīng)力分布圖

圖7 鍛造過程型腔溫度分布

根據(jù)圖7模擬的溫度場(chǎng)結(jié)果可知模具型腔在鍛造過程中，與高溫坯料接觸部分溫度上升，工作溫度大部分為紅色區(qū)域，溫度范圍大概在400～500℃之間，型腔某些部位密集的黃色區(qū)域，溫度較高達(dá)到600℃。

查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)5CrNiMo熱作模具鋼沖擊功在室溫至500℃時(shí)材料韌性隨溫度的升高逐漸升高；當(dāng)溫度超過600℃時(shí)，該模具鋼的沖擊功突然降低，材料高溫韌性降低。根據(jù)溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果分析，葉片模具正常工作溫度大概在450～580℃，但是模擬結(jié)果顯示模具型腔局部溫度會(huì)超過650℃，在這種情況下，模具鋼材料高溫韌性降低。綜合以上分析過程，可以總結(jié)該模具鋼在較高溫度狀態(tài)下不適合用來鍛造葉片。在高溫狀態(tài)下，該模具鋼韌性會(huì)降低，在工作中容易產(chǎn)生斷裂。

結(jié)束語(yǔ)

⑴葉片熱作模具葉根型腔開裂原因是由于材料斷裂韌度較低，發(fā)生了第二類回火脆性，在葉片的生產(chǎn)時(shí)，沒有采取措施避免其發(fā)生，導(dǎo)致模具斷裂。

⑵葉身部位型腔開裂是由于葉片模具材料5CrNiMo中存在夾雜物，由于夾雜物在應(yīng)力下易萌生裂紋，為開裂提供了有利條件。

⑶葉片熱作模具對(duì)材料硬度和熱穩(wěn)定性有一定的要求，模具在淬火時(shí)冷卻較慢，造成上貝氏體等組織存在，使模具性能降低，容易開裂。

⑷在材料強(qiáng)度降低的前提下，較大的驅(qū)動(dòng)力直接導(dǎo)致模具的開裂，在應(yīng)力集中部位最容易造成失效，因此應(yīng)力較大是導(dǎo)致開裂的重要原因。