密封瓦是發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)的重要組成部件,可以確保氫氣不發(fā)生泄漏。某核電廠發(fā)電機(jī)密封瓦表面的巴氏合金鍍層在運(yùn)行1 a后就發(fā)生脫落現(xiàn)象,影響了發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。發(fā)電機(jī)密封瓦為碳鋼基體＋內(nèi)襯鑄造錫基合金雙金屬軸瓦,基體材料為Q345R鋼,錫基合金材料為ZSnSb12Cu6Cd1軸承巴氏合金,密封瓦整體宏觀形貌如圖1所示。檢修期間發(fā)現(xiàn)密封瓦上的巴氏合金存在破損、脫落現(xiàn)象,密封瓦與密封座蓋接觸的一面上存在發(fā)黑跡象。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法分析了密封瓦巴氏合金脫落的原因,以避免該類問題再次發(fā)生。 

圖  1  密封瓦整體宏觀形貌

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

密封瓦內(nèi)襯被分割為上、中、下3個(gè)部分,其中上部為空氣側(cè),下部為氫氣側(cè),密封瓦內(nèi)襯損傷主要集中在中部,損傷沿中部?jī)?nèi)襯周向無(wú)規(guī)律分布,損傷特征包括塊狀剝落、蜂窩狀孔洞及光亮的凹坑等(見圖2)。 

圖  2  密封瓦內(nèi)襯巴氏合金的宏觀形貌

密封瓦由兩個(gè)半圓環(huán)組成,安裝要求密封瓦與密封座蓋間留有0.20～0.25 mm間隙(見圖3)。密封瓦基體正面內(nèi)側(cè)和外側(cè)有兩條寬度約為5 mm的黑色圓環(huán)印跡,兩條圓環(huán)中心間距約為34.5 mm；兩條圓環(huán)上均存在細(xì)小的疑似蝕坑損傷,蝕坑分布無(wú)規(guī)律(見圖4)。依據(jù)密封瓦與密封座蓋的安裝要求,判斷密封瓦與密封座蓋間隙不足,服役時(shí)密封瓦轉(zhuǎn)動(dòng)使其正面與密封座蓋相互磨擦,造成密封瓦正面形成黑色圓環(huán)印跡。 

圖  3  密封瓦與密封座蓋安裝示意

圖  4  密封瓦基體正面宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

利用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀分析密封瓦內(nèi)襯巴氏合金的化學(xué)成分,用直讀火花光譜儀分析密封瓦基體的化學(xué)成分,結(jié)果分別如表1,2所示。由表1,2可知：密封瓦內(nèi)襯巴氏合金的Cu和As元素含量均低于GB/T 1174—1992 《鑄造軸承合金》及JB/T 4272—1994 《汽輪機(jī)錫基合金軸瓦技術(shù)條件》的要求；密封瓦基體的化學(xué)成分滿足GB/T 713—2014 《鍋爐和壓力容器用鋼板》的要求。 

1.3   金相檢驗(yàn)

依據(jù)GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》,分別將密封瓦損傷區(qū)及未損傷區(qū)進(jìn)行切割、鑲嵌、打磨、拋光及腐蝕處理,腐蝕劑為4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸乙醇溶液,密封瓦損傷區(qū)及未損傷區(qū)的顯微組織形貌分別如圖5,6所示。依據(jù)CB 1156—1992 《錫基軸承合金金相檢驗(yàn)》,測(cè)量β相邊長(zhǎng)及觀察β相分布,并對(duì)巴氏合金顯微組織中β相的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)級(jí)。 

圖  5  未損傷區(qū)顯微組織形貌

圖  6  損傷區(qū)的顯微組織形貌

由圖5可知：未損傷區(qū)上部、中部及下部巴氏合金與基體結(jié)合良好,巴氏合金組織主要由α固溶體(Sb溶于Sn的固溶體,軟質(zhì)相)＋白色針狀ε相(Cu6Sn5)＋白色塊狀立方形β相(SnSb,硬質(zhì)相)組成,上部、中部及下部β相邊長(zhǎng)級(jí)別及分布級(jí)別無(wú)差異,各區(qū)域β相邊長(zhǎng)級(jí)別為1級(jí),β相分布均勻,未見偏析現(xiàn)象,分布級(jí)別為1級(jí)。 

由圖6可知：損傷區(qū)上部、中部及下部巴氏合金與基體間未出現(xiàn)脫落現(xiàn)象,這些區(qū)域的β相邊長(zhǎng)級(jí)別為1級(jí)；上部表面β相出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象,結(jié)合面無(wú)β相,β相偏析較嚴(yán)重,分布級(jí)別為3級(jí)；中部表面及結(jié)合面β相呈正方形和細(xì)小不規(guī)則分布,分布級(jí)別為2級(jí),表面及靠近結(jié)合面均存在沿?zé)oβ相區(qū)域擴(kuò)展的裂紋；下部表面β相出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象,表面無(wú)β相,β相分布級(jí)別為3級(jí)。 

1.4   硬度測(cè)試

依據(jù)GB/T 231.1—2018 《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》,利用布氏硬度計(jì)測(cè)試密封瓦內(nèi)襯上部、中部及下部區(qū)域巴氏合金的硬度,硬度計(jì)壓頭直徑為2.5 mm,試驗(yàn)力為306.5 N,測(cè)試結(jié)果如表3所示。由表3可知：密封瓦內(nèi)襯巴氏合金硬度滿足GB/T 1174—1992的要求。 

1.5   掃描電鏡(SEM)及能譜分析

利用掃描電子顯微鏡觀察密封瓦巴氏合金面損傷區(qū)的形貌,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：巴氏合金面蜂窩狀缺陷區(qū)由大量網(wǎng)狀裂紋組成,部分裂紋內(nèi)鑲嵌有雜質(zhì)；光亮的凹坑底部較為平整,可見裂紋擴(kuò)展的特征形貌,這些裂紋形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),進(jìn)一步導(dǎo)致巴氏合金剝落；大塊脫落處底部可見準(zhǔn)解理特征及疲勞條紋特征形貌。 

圖  7  巴氏合金損傷區(qū)SEM形貌

能譜分析結(jié)果顯示蜂窩狀缺陷區(qū)裂紋內(nèi)的雜質(zhì)主要由Fe、C、O等元素組成,推測(cè)密封瓦壓蓋與密封瓦接觸形成的磨損產(chǎn)物進(jìn)入巴氏合金基體后,在這些位置萌生了裂紋并擴(kuò)展。密封瓦服役期間會(huì)承受周期性載荷,巴氏合金因嵌入雜質(zhì)而形成的初始裂紋會(huì)在周期性載荷作用下發(fā)生疲勞擴(kuò)展。 

利用SEM觀察密封瓦基體,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：發(fā)黑及蝕坑處均由鑲嵌異物的小坑組成；未發(fā)黑區(qū)域存在加工痕跡,而基體發(fā)黑區(qū)域已無(wú)基體加工的車削痕跡,表明服役時(shí)密封瓦正面與密封座蓋發(fā)生磨損,導(dǎo)致基體表面粗糙度減小。 

圖  8  密封瓦基體SEM形貌

利用能譜分析儀對(duì)表面發(fā)黑處蝕坑底部異物、發(fā)黑區(qū)基體及未發(fā)黑區(qū)基體進(jìn)行分析,蝕坑異物主要由C元素和O元素組成,判斷其為密封油殘留物；發(fā)黑區(qū)表面的氧元素含量高于未發(fā)黑區(qū),說明發(fā)黑原因是密封瓦基體與密封座蓋摩擦發(fā)熱后,表面發(fā)生了氧化。 

2.   綜合分析

安裝密封瓦時(shí),密封瓦與密封座蓋之間應(yīng)留有0.20～0.25 mm間隙,使運(yùn)行時(shí)密封瓦與座蓋不發(fā)生磨損,而破損的密封瓦基體上存在磨損發(fā)黑痕跡,表明實(shí)際運(yùn)行時(shí)密封瓦與座蓋發(fā)生了相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),使密封瓦及密封座蓋發(fā)生磨損。磨損產(chǎn)物隨著密封油進(jìn)入密封瓦上部、中部及下部的流道內(nèi),密封瓦轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)這些磨損產(chǎn)物鑲嵌到中部密封瓦巴氏合金的基體中,使巴氏合金表面產(chǎn)生缺陷。密封瓦基體正面整圈均存在發(fā)黑跡象,原因是磨損產(chǎn)生的熱量使密封油溫度上升,導(dǎo)致基體黏度降低、油膜變薄、邊界油膜性能下降[1－2],進(jìn)一步影響密封瓦的服役性能。 

對(duì)于錫基巴氏合金,在Sn－Sb二元合金體系中,只有當(dāng)Sb元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于7.5%時(shí),結(jié)構(gòu)中才會(huì)出現(xiàn)塊狀β相SnSb；而Cu元素幾乎不溶于Sn元素,但少量的Cu元素能溶于α固溶體中,只有α固溶體中Cu元素過量才會(huì)生成細(xì)小ε相(Cu6Sn5)。ε相是β相SnSb立方晶體的結(jié)晶核心。在結(jié)晶過程中,ε相首先從溶體中以網(wǎng)狀形式結(jié)晶出來(lái),因而可以阻止其后析出的β相因質(zhì)量輕上浮而產(chǎn)生偏析,使形成的晶體更加均勻、細(xì)小[3]。破損的密封瓦內(nèi)襯巴氏合金中Cu元素含量低于標(biāo)準(zhǔn)要求,使材料中ε相偏少,引起β相發(fā)生偏析。破損的密封瓦內(nèi)襯巴氏合金中As元素含量低于標(biāo)準(zhǔn)要求,As元素通常固溶在基體內(nèi),起到細(xì)化晶粒、提高合金強(qiáng)度的作用,其含量偏低會(huì)降低巴氏合金的力學(xué)性能。 

正常的巴氏合金基體上應(yīng)分布著均勻、彌散、細(xì)小的β相立方晶體,允許存在少量呈桿狀、針狀或點(diǎn)狀的晶體,晶體應(yīng)無(wú)明顯方向性,垂直于基體,不允許存在偏析和堆積現(xiàn)象。如果β相的硬質(zhì)質(zhì)點(diǎn)較大或分布不均勻,在服役過程中,合金中單個(gè)晶體將承受過大的壓力并發(fā)生破裂。β相分布越不均勻,單個(gè)晶體受力也越大,晶內(nèi)產(chǎn)生變形、滑移,會(huì)破壞晶界,使合金疲勞強(qiáng)度降低。只有β相的晶體較細(xì)、分布均勻,合金才能有較好的承載能力[4－5]。巴氏合金損傷區(qū)組織中β相分布不均勻,造成巴氏合金的承載能力變差,中部區(qū)域表面存在磨損產(chǎn)物,鑲嵌后形成了初始缺陷并萌生裂紋,而損傷區(qū)的β相不能有效阻止裂紋擴(kuò)展,從而使裂紋沿著巴氏合金表面及內(nèi)部擴(kuò)展,最終導(dǎo)致巴氏合金脫落。 

3.   結(jié)論

安裝發(fā)電機(jī)密封瓦時(shí),密封瓦與密封座蓋的安裝間隙不足,使密封瓦及密封座蓋發(fā)生磨損及發(fā)熱現(xiàn)象,磨損產(chǎn)物的存在使密封油油質(zhì)劣化,并造成巴氏合金表面開裂,內(nèi)襯巴氏合金材料的化學(xué)成分不合格,β相分布不均勻,導(dǎo)致其承載能力變差,在周期性載荷的作用下,密封瓦發(fā)生疲勞脫落。 

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