微动腐蚀疲劳中的化-力学效应及多尺度损伤机理研究

Fretting fatigue in corrosive environment is one of the main factors affecting the safety and integrity of the dovetail structure of the last blade in steam turbine due to the vibration and humid steam working environment. Combined with the experimental testing on micro and macro levels and the theoretical analysis, the fretting corrosion fatigue behavior of steam turbine blades under interactive action of contact stress, electrochemical and fatigue loading is investigated in the project. Multi-scale fretting corrosion fatigue damage models will be proposed to clearly understand the fretting fatigue damage mechanism on both micro and macro scales. The dominant mechanisms on crack initiation and propagation at various stages in fretting fatigue will be investigated to find out the mechanism and the critical condition for small-to-long crack transition. By conducting the present study, the fretting fatigue properties of steam turbine blade materials and key parameters affecting these properties will be better evaluated. Meanwhile, the study will be helpful for providing a reasonable anti fretting fatigue measures for blade material of stainless steel dovetails and fittings, which is of great importance theoretically and practically to ensure long term safe operation.

采用榫槽结构的汽轮机末级叶片，由于振动和腐蚀的共同作用，腐蚀环境下的微动疲劳是影响结构安全性和完整性的主要因素之一。本项目采用宏微观实验测试和理论分析相结合，研究腐蚀环境中接触力-电化学-疲劳载荷交互作用下叶片材料的微动疲劳性能。建立不同尺度的微动腐蚀疲劳损伤模型，深入理解其损伤机理。研究力-化学作用下微动疲劳不同阶段的裂纹萌生和扩展的主导机制，掌握小裂纹发展至扩展裂纹的机理和条件。通过本课题的研究可以更准确地评价汽轮机叶片材料微动疲劳性能及其主要影响因素。同时，对提出更加合理的防微动疲劳失效措施以及不锈钢榫槽结构的安全可靠的长周期运行具有重要的理论意义和实际应用价值。

本项目针对汽轮机转子钢榫槽结构微动疲劳性能进行了研究。分别研究了转子材料2Cr13 和Ti-6Al-4V在空气和腐蚀环境下的超高周疲劳性能、Ti-6Al-4V微动疲劳中的磨损及裂纹萌生和扩展、腐蚀介质下微动疲劳性能、微动疲劳接触区域剪切带的形成、基于多轴疲劳模型裂纹萌生和寿命的预测、接触疲劳亚表面微观组织演化的研究。结果表明：1）空气中108周次以上和腐蚀环境下材料的疲劳极限消失，这对长周期服役的转子钢的疲劳可靠性提供一定依据；2）微动疲劳寿命比常规寿命降低70%以上。靠近加载端的接触边缘是裂纹扩展，而在另一端不产生裂纹或者止裂；裂纹萌生主要受微动磨损的影响，而扩展受循环载荷控制；3）微动疲劳中接触载荷作用的距离非常有限，在30μm以内。裂纹分别在30°-40°和大于45°起裂。前者的裂纹扩展至30μm深度以内后止裂；而后者的裂纹在循环载荷下容易发展成扩展裂纹；4）腐蚀液的注入方式（连续或者间歇）对微动疲劳结构损伤和寿命有重要影响，可优化注入方式以减少损伤和裂纹萌生；5）微动试样结构的差异导致接触部位应力场的不同，说明实际中榫槽面-面接触微动结构若由简化的微动垫式线-线接触的结构代替进行试验或者模拟，会造成很大的误差；6）首次在接触疲劳亚表面剪切带研究中证实了大量非晶相的存在。认为白色蚀刻组织WEA是塑性应变失稳的结果，是动态载荷下材料微观组织的响应，与载荷模式无关。由此推断微动磨损中形成的摩擦白层、微动疲劳接触区域剪切带的形成以及接触疲劳中的WEA，是接触载荷下组织发生变化的共性。这给了很好的启示，即承受微动疲劳的结构，当接触载荷达到一定的临界值，裂纹产生的同时会引起微观组织的变化，破坏了接触处材料的均匀性，造成潜在的损伤。