李清松， 張邦強，楊吉輝，楊功顯

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

用噴丸強化工藝提高汽輪機末級葉片材料抗應力腐蝕性能的試驗研究

李清松， 張邦強，楊吉輝，楊功顯

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

文章采用噴丸強化工藝使汽輪機末級葉片材料1Cr12Ni3Mo2VN獲得表面殘余壓應力，并測試了不同噴丸強度下材料表面殘余應力水平和電化學特性，試驗結(jié)果表明采取弧高0.4 mm的噴丸強度可以使1Cr12Ni3Mo2VN材料獲得最高的表面殘余壓應力和較好的抗腐蝕能力，最后通過應力腐蝕試驗驗證了噴丸強化工藝可大幅提高1Cr12Ni3Mo2VN材料的抗應力腐蝕能力。

噴丸強化，表面殘余應力，應力腐蝕

1 前言

汽輪機末級葉片工作在濕蒸汽區(qū)，長期運行后表面經(jīng)常出現(xiàn)積垢，存在一定的腐蝕性，同時由于轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)承受巨大的離心力和振動應力，易出現(xiàn)應力腐蝕現(xiàn)象，西屋公司曾在茵西納（ENCINA）電廠4#機的掛片試驗中，發(fā)現(xiàn)末級葉片工作環(huán)境處于機組鹽溶區(qū)，在此位置因為氯化物對葉片材料的腐蝕作用，使得葉片容易產(chǎn)生裂紋和發(fā)生斷裂。因此，抗應力腐蝕性能是汽輪機末級葉片材料重要的考核性能之一。應力腐蝕（SCC）的產(chǎn)生機理很復雜，先后提出了陽極溶解模型、保護膜破裂模型、隧道腐蝕模型、應力吸附模型、氫致開裂模型、擇優(yōu)溶解模型、腐蝕產(chǎn)物鍥入模型[1]。被普遍認可的過程為：在較大的拉應力作用下，由于金屬材料的原子處于不穩(wěn)定的高能狀態(tài)，在特定的腐蝕介質(zhì)中，原子容易失去電子而使材料遭受腐蝕，產(chǎn)生微裂紋；而后由于微裂紋的應力集中效應，使微裂紋得以快速擴大，最終導致材料斷裂。左景伊等[2]認為在應力腐蝕斷裂過程中，首先在材料表面產(chǎn)生蝕孔或裂縫源，其時間約占破裂總時間的90%，張霞等人的研究結(jié)果表明零件表面殘余應力對應力腐蝕過程有較大影響：試樣表面存在殘余壓應力時，其壽命明顯高于表面存在殘余拉應力的試樣[3]。

噴丸強化是通過高速的金屬彈丸撞擊金屬表面，在金屬零件表面產(chǎn)生殘余壓應力，形成細化亞晶粒和高密度表層亞結(jié)構(gòu)的冷作硬化層，從而提高零件疲勞強度或抗應力腐蝕能力的一種冷加工表面改性方法[4]。由于噴丸工藝簡單、效果明顯，已在機械制造行業(yè)中得到廣泛應用，但國內(nèi)外還沒有采用噴丸強化工藝獲得材料表面殘余壓應力，從而提高汽輪機末級葉片材料的抗應力腐蝕性能的研究報道。本文以汽輪機末級葉片材料1Cr12Ni3Mo2VN為研究對象，采用X射線殘余應力測試儀、電化學工作站，測試分析了不同噴丸強度工藝下試樣的表面殘余應力狀態(tài)和電化學特性，并制作應力腐蝕標準試樣，通過實驗證實了噴丸強化工藝可大幅提高1Cr12Ni3Mo2VN材料的抗應力腐蝕性能。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

本文選取廣泛應用的汽輪機末級葉片材料1Cr12Ni3Mo2VN作為研究對象，其化學成分如表1所示。

表1 研究對象的主要元素化學成分 wt%

首先選用直徑為120 mm的圓棒按照末級葉片葉根的尺寸和制造工藝，在4:1的鍛造比下將其鍛制成200 mm×100 mm×150 mm的方鋼，進行性能熱處理后制成噴丸強化試樣，其力學性能如表2所示。然后將試樣加工成100 mm×40 mm×19 mm的噴丸后殘余應力檢測試樣。

表2 研究對象的力學性能

2.2 試驗項目及方法

（1）噴丸強化：按照GB 6484選取型號為S390鋼丸，采用標準弧高度試片來測定和表征受噴零件的噴丸強度，選擇JB/T 10174《鋼鐵零件強化噴丸的質(zhì)量檢驗方法》中的A試片作為噴丸強度的表征試片，分別按照弧高值為0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm和0.6 mm，進行了5種噴丸強度水平的噴丸強化試驗。噴丸之后，用10倍放大鏡檢查，確認覆蓋率≥100%，并檢查試樣表面無裂紋。

（2）表面殘余應力測試：殘余應力測試在RICAKU DANNI公司生產(chǎn)的MSF—2M型X射線應力分析儀上進行。選擇Co靶Ka1輻射，衍射晶面為 （310），管電壓為30 kV，管電流為10 mA，選用固定ψ0法測量，預設(shè)ψ0為0°、15°、30°、45°，半高寬法定峰，sin2ψ法計算應力，選用采取定點計數(shù)和步進掃描的方式。

為了測定噴丸后試樣深度方向殘余應力分布情況，采取了均勻腐蝕的方法對試樣進行了剝層處理和逐層測試。

（3）電化學試驗： 電化學采用瑞士萬通電化學工作站AUTOLAB PGSTAT302N（Metrohm）進行電化學測試，實驗溫度為80℃；實驗介質(zhì)為濃度為7%的NaCl水溶液，每次測試2個平行試樣。實驗采用標準三電極體系：輔助電極為鉑電極（Pt片15 mm×20 mm，300 mm2），參比電極為飽和甘汞電極 （SCE），工作電極為測試樣品，試樣測試面積均為1 cm2。極化曲線掃描電位范圍為Ecorr300～800 mV，掃描速度為0.4 mV/s。電流密度由Tafel外推法求得。

（4）應力腐蝕試驗：按GB/T 15970《金屬和合金的腐蝕:應力腐蝕試驗》中規(guī)定的進行。采用“恒定負荷法”對噴丸前后的試樣進行應力腐蝕，直至試樣斷裂，對比分析試樣斷裂的時間，試驗溶液為22%沸騰NaCl溶液，通常來說選用試驗載荷為材料屈服強度的50%～75%，因此選取600 MPa作為試驗載荷，試驗溫度為80℃。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 表面殘余應力測試結(jié)果

經(jīng)過0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm和0.6 mm噴丸強度噴丸后的1Cr12Ni3Mo2VN試樣的最大殘余應力值如表3所示，不同噴丸強度下，試樣最大殘余應力出現(xiàn)的位置 （深度）也存在差異，如圖1所示。

表3 不同噴丸強度下的最大殘余應力

圖1 1Cr12Ni3Mo2VN不同噴丸強度和最大殘余應力深度關(guān)系圖

3.2 電化學試驗結(jié)果

一般情況下，低的腐蝕電流密度Icorr、高的腐蝕電位Ecorr，高的表層擊穿電位，使同種材料耐蝕性提高。Eb100也是評價腐蝕性能的重要參數(shù)，Eb100越正，抗點蝕性能越好。材料極化電阻越大，材料的抗腐蝕性越好。材料的自腐蝕電位Ecorr越正，其抗腐蝕性能越好。所以，噴丸強度 （弧高值）為0.4 mm時，材料的綜合耐腐蝕性能最佳，如圖2所示。

（a）噴丸強度與自腐蝕電流密度Icorr的關(guān)系

（b）噴丸強度與自腐蝕電位Ecorr之間的關(guān)系圖

（c）噴丸強度與Eb100之間的關(guān)系圖

（d）噴丸強度與腐蝕速率之間的關(guān)系圖

圖2 噴丸強度和材料電化學特性的關(guān)系

3.3 應力腐蝕試驗

圖3是沒有進行噴丸強化的試樣經(jīng)過應力腐蝕試驗后的顯微照片，可以看出在腐蝕介質(zhì)作用下，雖然在試樣表面生成了一定厚度的保護膜，但是在較大的拉應力作用下，造成試樣表面局部的保護膜被破壞，成為腐蝕陽極，并且因為拉應力超過了該材料的應力腐蝕門檻值，進而在該位置因為應力腐蝕形成裂紋尖端。該裂紋因為腐蝕介質(zhì)的作用再次形成保護膜，但是，裂紋尖端因為在拉應力作用下應力集中，從而擴展。就這樣，保護膜破壞形成應力腐蝕裂紋尖端，并因為應力集中在拉應力作用下擴展，最終斷裂。

圖3 未拋丸強化試樣應力腐蝕斷裂后的SEM照片

表4是未經(jīng)噴丸處理和按照0.4 mm噴丸強度處理后的試樣應力腐蝕試驗結(jié)果，可以看出，經(jīng)過噴丸強化后的應力腐蝕試樣抗應力腐蝕能力明顯強于未經(jīng)噴丸強化的應力腐蝕試樣。說明末級葉片材料經(jīng)過0.4 mm弧高值強度的噴丸處理后，可大幅提高1Cr12Ni3Mo2VN材料的抗應力腐蝕能力。

表4 噴丸強化前后試樣的應力腐蝕試驗結(jié)果

4 結(jié)論

本文采取拋丸處理使汽輪機末級葉片材料1Cr12Ni3Mo2VN產(chǎn)生了表面殘余壓應力，并采用電化學分析和應力腐蝕試驗的方法，對比研究了最佳拋丸強度以及對應力腐蝕性能的影響效果，得出以下結(jié)論：

（1）按照弧高值0.4 mm的強度進行噴丸處理，可在1Cr12Ni3Mo2VN材料表面獲得最大殘余壓應力，材料的綜合耐腐蝕性能最佳。

（2）進行噴丸處理后，1Cr12Ni3Mo2VN材料應力腐蝕斷裂時間大幅提高，抗應力腐蝕性能得到增強。

[1]鐘群鵬,趙子華,著.斷口學[M].北京:高等教育出版社, 2006

[2]蔣偉,龔敏.金屬應力腐蝕探討[J].防腐保溫技術(shù),2007, 15(2):36-38

[3]張霞.殘余應力的產(chǎn)生和對腐蝕開裂的影響研究[J].佳木斯大學學報:自然科學版,2008,（2）：182-184

[4]張興權(quán),戴亞春,杜為民,等.金屬零件表面改性的噴丸強化[J].電加工與模具,2005,（2）:30-32

Experimental Study on Enhancing Stress Corrosion Resistance of Steam Turbine Last Stage Blade Material by Shot Peening

Li Qingsong，Zhang Bangqiang，Yang Jihui，Yang Gongxian

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

After shot peening,we get residual compressive stress on the last stage blade surface of 1Cr12Ni3Mo2VN material. Different shot peening intensity causes different residual stress levels and electro chemical properties on material surface,test results show that the 1Cr12Ni3Mo2VN material obtains the highest surface residual compressive stress and better corrosion resistance by shot peening in 0.4 mm intensity.Through the stress corrosion test,it verifies that the shot peening technology can greatly improve thestress corrosion resistance of 1Cr12Ni3Mo2VN material.

shot peening,surface residual stress,stress corrosion

TG174

B

1674-9987（2015）03-0041-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.03.010

李清松 （1980-），男，工程師，2002年畢業(yè)于江蘇大學金屬材料專業(yè)，任職于東方汽輪機有限公司材料研究中心長壽命高溫材料四川重點實驗室，現(xiàn)從事發(fā)電設(shè)備金屬材料研究及測試分析工作。