叶轮失效分析.PDFVIP

记录号：JS-AL-转动设备（叶轮）－08-20 叶轮失效分析 摘要：叶轮在低周疲劳试验过程中在叶片根部发生多次开裂失效。本文对 L50M2 叶轮叶片和 L80M3 叶轮叶片断口的宏观和微观形貌进行了观察分析，并对其微区成分进行了分析；结合叶轮有关尺寸，对 比估算了叶轮叶片根部的应力集中，本文根据已有的有关资料和分析图片，综合分析了叶轮失效的可能 原因。结果表明，少数叶轮叶片的过早失效与存在的较大缺陷有关，如 L50M2 和 L80M3 ，但批次性出 中 现的叶轮的失效与冶金材质的关系应不大，因为所有断口源区均存在一定的冶金缺陷和较大的碳化物； 叶轮在第一批次低周疲劳寿命试验后寿命急剧下降，可能与第一批次低周疲劳寿命试验后叶轮结构尺寸 发生一定的改变有关，其中最主要的应是叶根过渡圆角和表面质量状态；建议通过改善熔铸工艺参数以 国 及后续清理工艺、适当加大叶根圆角半径等措施，提高叶片根部的疲劳抗力，也可考虑采取喷丸强化。 关键词：叶轮；应力集中；表面质量；疲劳断裂 材料种类/牌号：铸造高温合金/K21 概述 应 叶轮在低周疲劳试验过程中在叶片根部发生多次开裂失效。叶轮外观形貌见图 1。裂纹大多出现在 叶背中部，少数出现在叶片后缘。叶轮材料为铸造高温合金K21 。 急 分 析 图 1 叶轮外观形貌 网 本文对 L50M2 叶轮叶片和 L80M3 叶轮叶片断口的宏观和微观形貌进行了观察分析，并对其微区成 分进行了分析；结合叶轮有关尺寸，对比估算了叶轮叶片根部的应力集中，本文根据已有的有关资料和 分析图片，综合分析了叶轮失效的可能原因。 试验过程与结果 宏观观察 叶轮发生失效的位置具有较强的规律性，从提供 17 个失效叶轮的图片中可以看出，有 12 个裂纹起 源于叶根处的叶背中部，4 个起源于叶片后缘，仅 1 个起源于叶盆一侧的中部。 L50M2 叶轮叶片疲劳断口宏观形貌见图 2 ，疲劳源位于叶根处的叶背中部。用体视显微镜进行观察， 1 裂纹大致起源于次表面，见图 3 。 L80M3 叶轮叶片疲劳断口宏观形貌见图4 ，疲劳源位于叶根处的叶背中部，裂纹起源于一尺寸较大 的夹杂物，源区放大形貌见图 5 。 中 疲劳源 国 图2 L50M2 叶轮叶片断口宏观形貌 图3 L50M2 叶轮叶片断口疲劳源区宏观形貌 应 急 夹杂物 分 夹杂物 图4 L80M3 叶轮叶片断口宏观形貌 图5 L80M3 叶轮叶片断口疲劳源区宏观形貌 微观观察 析 将断口清洗后用扫描电镜进行观察。 L50M2 叶轮叶片断口低高倍形貌分别见图 6 和图 7，距表面约 0.05mm 处存在一尺寸较大的碳化 物，疲劳裂纹起源于该碳化物。源区的高倍背散射电子像见图 8 ，测得碳化物的尺寸约为 0.040mm×0.045mm 。对碳化物进行能谱成分分析，结果见表 1。 网 表 1 L50M2 叶轮叶片断口源区碳化物的能谱分析结果（wt% ）