超臨界600MW機組主汽閥閥桿斷裂原因分析采用宏觀形貌觀察、化學成分分析、顯微組織觀察與力學性能試驗等方法,對某超臨界600MW機組主汽閥閥桿斷裂原因開展了分析。結(jié)果說明,該高溫合金閥桿母材彌散分布富Al、富Si、富Ti和富Mo的強化顆粒,顯微組織異常,且拉伸塑性與沖擊韌性較差,是導致其在絲扣退刀槽處發(fā)生脆性斷裂的主要原因。建議對同批次和同類型的主汽閥閥桿采取適當?shù)拇胧╅_展處理,確保機組安全運行。1、閥桿斷裂情況

某超臨界600MW機組于20**年10月12日7時并入系統(tǒng)運行，8時發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥全開后，機組僅能帶370MW負荷。進一步檢查后發(fā)現(xiàn)，左、右側(cè)主汽閥體溫差大，右側(cè)主汽閥處無明顯節(jié)流聲，判斷其閥芯沒有開啟。20**年10月18日，對右側(cè)主汽閥開展解體檢查，發(fā)現(xiàn)該閥閥桿與閥桿套筒連接絲扣斷裂。

主汽閥材質(zhì)為GH901鐵基高溫合金，該合金在650℃以下具有較高的屈服強度和持久強度，760℃以下抗氧化性良好，長期使用組織穩(wěn)定，是一種較成熟的合金，廣泛用于制造在650℃以下工作的航空及地面燃氣渦輪發(fā)動機的轉(zhuǎn)動盤形件、靜構(gòu)造件、渦輪外環(huán)及緊固件等零部件，同時也用于超臨界發(fā)電機組的主汽閥閥桿。

沿主汽閥閥桿軸向切割規(guī)格為12.5mm×5mm×160mm的拉伸試樣和規(guī)格為5mm×10mm×50mm的V型缺口沖擊試樣，拉伸試驗在UTM5105型萬能材料試驗機上開展，拉伸速率為2mm/min;沖擊試驗設(shè)備為JBN-300。2、宏觀檢測

主汽閥閥桿上部斷口形貌如圖1所示。主汽閥閥桿在其上部絲扣的退刀槽處發(fā)生斷裂，斷口無明顯的塑性變形，是典型的脆性斷裂，且斷面無疲勞特征，因此可以排除疲勞斷裂的可能。

圖1主汽閥閥桿斷口形貌3、成分分析

GH901合金中的Fe是基體元素，Ni是奧氏體穩(wěn)定化元素，Cr是抗氧化腐蝕元素，B為微量晶間強化元素，鈦、鋁等為時效強化元素，其中Al還可抑制合金中主要強化γ"相向脆性η-Ni3Ti相轉(zhuǎn)化。主汽閥閥桿的合金成分見表1，各化學元素含量符合《中國航空材料手冊》(以下簡稱“手冊”)要求。

表1主汽閥閥桿元素含量at%4、顯微組織

在主汽閥閥桿斷口位置附近取樣開展金相試驗，其組織為奧氏體，但內(nèi)含異常的混晶組織，不符合DL/T439-20**《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導則》中關(guān)于奧氏體組織的要求(圖2)。

圖2主汽閥閥桿金相組織

通過掃描電鏡背散射像進一步觀察主汽閥閥桿的顯微組織，發(fā)現(xiàn)其基體中分布有大量的黑色和白色的顆粒，尺寸在10μm量級，且形狀不規(guī)則(圖3(a))。EDS圖譜說明這些顆粒是富Al、富Si、富Ti和富Mo的強化相，其中富Al顆粒尺寸較大，如圖3(b)中“1”所示。富Si顆粒外形較細長，如圖3(b)中“2”所示。富Ti顆粒外形接近圓形，且尺寸較小，如圖3(c)中“3”所示。富Mo顆粒是白色的，外形多為圓形，如圖3(c)中“4”所示。各強化相的合金成分見表2。

表2高溫閥桿各析出相成分at%

圖3主汽閥閥桿背散射相及標記為1～4的顆粒能譜

依據(jù)《手冊》標準熱處理狀態(tài)下GH901組織為奧氏體基體上析出球狀的γ'相以及少量的MC和M3B2等相。γ′相彌散分布于晶內(nèi)，直徑約為14～20mm，約占合金重量的10%～12%，其化學組成近似為(Ni0.95Fe0.03Cr0.02)3(Ti0.85Al0.15)。MC和M3B2相的總量約占合金重量的0.27%～0.35%。通過比較發(fā)現(xiàn)，GH901主汽閥閥桿中的各強化相顆粒與標準熱處理狀態(tài)下的強化相不符，說明斷裂的高溫閥桿熱處理工藝不到位，微觀組織異常。5、力學性能

主汽閥閥桿橫截面的布氏硬度值為360HB，滿足《手冊》對GH901合金硬度的要求(302～388HB)。

主汽閥閥桿的室溫拉伸數(shù)據(jù)見表3。由表3可見，主汽閥閥桿的抗拉強度符合《手冊》要求，但表征材料塑性的延伸率和斷面收縮率均低于《手冊》要求，這說明主汽閥閥桿母材的塑性較差。

表3主汽閥閥桿室溫拉伸力學性能

主汽閥閥桿試樣的平均沖擊功為41.5J，沖擊韌性為518kJ/m2，低于《手冊》要求的600～700kJ/m2，說明主汽閥閥桿母材的沖擊韌性較差。

圖4(a)是沖擊試樣斷口的形貌，宏觀斷口比較平坦，呈鐵灰色，無明顯的纖維區(qū)和放射區(qū)。微觀斷口顯示斷面為典型冰糖結(jié)晶狀，屬于脆性沿晶斷裂模式。斷面上分布有不少的沿晶二次裂紋(圖4(b～c))。同時，沿斷口晶界上存在不少的顆粒和其剝離遺留下來的孔洞(圖4(d))。

圖4沖擊試樣斷口的二次電子相形貌

圖5(a)是圖4(d)的背散射圖，通過