蠕變疲勞載荷下9-12％Cr超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子材料損傷研究.pdf

1、隨越來越多的新能源并網(wǎng)發(fā)電，造成電網(wǎng)電力輸出呈間歇性波動，這就需要火力發(fā)電汽輪機(jī)組進(jìn)行調(diào)峰作業(yè)。調(diào)峰作業(yè)導(dǎo)致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的頻繁啟停，啟停過程中的溫度升降會在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生交變熱應(yīng)力，從而加劇汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的疲勞蠕變損傷。以往對超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命和可靠性的評估，重點(diǎn)在恒定溫度（最高服役溫度）下的蠕變損傷機(jī)理研究，未曾考慮交變熱應(yīng)力引起的疲勞損傷行為。這容易造成設(shè)計(jì)的過分保守，使零部件不能發(fā)揮其最大的潛能而造成經(jīng)濟(jì)損失，或者因設(shè)計(jì)余量不夠而給機(jī)組

2、的可靠運(yùn)行帶來安全隱患。
　　本文選用超超臨界火電機(jī)組汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用9-12％Cr耐熱鋼的典型代表X12CrMoWVNbN10-1-1鋼進(jìn)行試驗(yàn)研究，探究其在蠕變疲勞載荷下的宏觀力學(xué)性能與微觀組織演變的關(guān)系。試驗(yàn)選取汽輪機(jī)機(jī)組典型的4中工況進(jìn)行全壽命周期的低周疲勞試驗(yàn)，即冷啟動(300℃)、溫啟動(500℃)、熱啟動(550℃)以及穩(wěn)定運(yùn)行(600℃)。通過對不同工況下試樣的恒溫和預(yù)載荷下試驗(yàn)結(jié)果對比分析，總結(jié)得到溫度和保持時間對材

3、料力學(xué)性能的影響規(guī)律，并通過光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡及能譜分析儀對原始材料和試驗(yàn)后試樣材料的微觀組織結(jié)構(gòu)和析出相(M23C6和MX)變化進(jìn)行對比分析，探討該轉(zhuǎn)子鋼在蠕變疲勞載荷下的微觀組織結(jié)構(gòu)演變和損傷機(jī)理。同時，也對試樣裂紋和疲勞斷口形貌進(jìn)行分析，得到該材料裂紋萌生特點(diǎn)、裂紋擴(kuò)展方式及后期失效原因。
　　試驗(yàn)結(jié)果表明：在蠕變疲勞載荷后，材料力學(xué)性能表現(xiàn)為循環(huán)軟化特性，在保持時間段發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象。在預(yù)載荷下材料壽命小于恒溫載荷

4、下壽命，材料的壽命隨溫差幅的增大而降低。從微觀組織分析得到，在高溫蠕變疲勞后的組織板條粗化、晶界產(chǎn)生變形，低溫下(300℃)板條發(fā)生脆化、增多；析出相M23C6碳化物在蠕變疲勞后發(fā)生偏聚、粗化，而MX則發(fā)生溶解或者轉(zhuǎn)變，在組織內(nèi)數(shù)量減少。高溫環(huán)境加劇了晶界析出物長大和內(nèi)部析出相溶解，使釘扎作用下降，組織發(fā)生變形，在宏觀上表現(xiàn)為塑性變形。通過對疲勞裂紋和斷口形貌分析可知材料整個損傷過程，裂紋以穿晶方式萌生、擴(kuò)展，保持時間段增加了蠕變損傷，