汽轮发电机铝风叶热处理后表面异常分析

葛光男，刘 毅，丁军锋，戚彩梦

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

铝合金以其密度低、强度高、热加工性能好等优点，在装备制造业、航空航天等领域被广泛应用。目前，国内外对铝合金进行了大量的研究，其中Al-Cu-Mg系合金以其高的比强度、比刚度，耐热性等优良性能，被广泛应用于精密仪器、仪表等领域[1]。2A12铝合金是Al-Cu-Mg系合金可热处理强化的高强合金，目前较为常见的热处理方式有固溶处理、时效处理、回归热处理和形变热处理等[2]，主要强化相为θ(CuAl2)、S(Al2CuMg)、MnAl6。

由于2A12铝合金具有较好的材料特性，被应用于汽轮发电机的风叶。铝风叶作为汽轮发电机的关键部件，对机组运行有重要的作用。通过汽轮发电机铝风叶的失效形式来探讨2A12铝合金热处理过程存在的问题，可防止铝风叶失效问题再次发生。

1 检测与结果

1.1 汽轮发电机铝风叶宏观形貌检验

该失效2A12铝风叶弯型后进行固溶处理，出现变形、裂纹、表面结疤、结瘤、气泡及表面颜色异常现象，其中以表明颜色异常和结疤、结瘤宏观现象为主，如图1所示。

1.2 化学成分检验

对失效2A12铝合金风叶化学成分进行检验，检验结果如表1所示。由表可知，失效的2A12铝合金风叶化学成分正常，满足GB/T 3880标准要求。

图1 2A12铝风叶热处理后异常现象

表1 2A12化学成分检验结果

注： 依据标准GB/T 3880《一般工业用铝及铝合金板、带材》的要求。

1.3 金相及SEM检验

从1#、3#以及4#2A12铝合金风叶分别取样进行金相组织检验，如图2、图3和图4所示。由图可知，1#、3#以及4#试样的金相组织中均表现为：晶内出现共晶球、晶界变宽、三叉晶界呈三角形，这是典型的过烧组织特征[3]，表明失效铝合金风叶出现了不同程度的过烧现象。3#表面带有结瘤的零件组织异常最大，过烧最为严重，其次1#是表面颜色异常零件，最后是4#表面正常零件。

由图2～图4可知，每个试样表面均出现晶粒脱落、晶界及晶内析出强化相的现象。由于该批次零件过烧，导致晶界结合强度大大降低。因此，在磨制试样的过程中，晶界结合力较差的晶粒发生脱落现象。

1.4 断口分析

从2#试样开裂的端部以及靠近裂纹底部取2件试样进行断口形貌分析，如图5、图6所示。由图可知，裂纹端部断口为沿晶断裂+解理断裂(舌状花样)，裂纹底部断口为沿晶断裂。

由于该批次铝合金热处理过程中已过烧，导致晶界复熔，降低了晶界原子间的结合力，大大降低裂纹沿晶界扩展的抗力。裂纹扩展沿着原子结合力最弱的区域扩展，固溶冷却过程中导致沿晶断裂为主、解理断裂为辅的脆性断裂。

图2 1#试样金相组织500X及SEM照片

图3 3#试样金相组织500X及SEM照片

图4 4#试样金相组织500X及SEM照片

图5 2#端部断口SEM形貌

2 综合分析

2A12为Al-Cu-Mg系合金，其三元合金相图如图7所示。由图可知，当温度超过505 ℃后，固溶更加充分，主要强化相显著减少，但是合金中出现共晶球体和局部晶界复熔现象(合金过烧)，随着温度升高，共晶体复熔现象更加明显。由于2A12合金可溶相成分固溶温度与三元共晶温度间隔很窄，因此该合金具有强烈的过烧敏感性。

生产中炉温均匀性较差及热处理控温仪表不准确，导致铝合金固溶处理温度过高，产生过烧现象，出现变形、表面结疤、结瘤、气泡及表面颜色异常等现象。

图6 2#底部断口SEM形貌

图7 Al-Cu-Mg系三元合金富铝一角500 ℃等温截面图及变温截面图

此外，铝合金凝固时体积收缩率达6.5%～6.6%。因此，铝合金水冷过程中，在组织应力和热应力的作用下会产生较大内应力，在结合力较弱的晶界处开裂。

3 结论及建议

综合上述分析2A12铝风叶合金失效原因为固溶处理过程中，发生过烧，晶内出现共晶球、晶界变宽、三叉晶界呈三角形，导致原子间结合力降低，冷却后出现变形、裂纹、表面结疤、结瘤、气泡及表面颜色异常现象。

由于铝合金固溶温度区间较窄且与过烧温度相差很小，具有强烈的过烧敏感性，热处理过程需对热处理设备进行炉温均匀性及控温仪表准确性等方面进行鉴定，铝风叶入炉后需合理摆放。