密封瓦是發(fā)電機密封油系統(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)電機密封瓦表面的巴氏合金鍍層在運行1 a后就發(fā)生脫落現(xiàn)象,影響了發(fā)電機的安全運行。發(fā)電機密封瓦為碳鋼基體＋內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

1.1   宏觀觀察

密封瓦內襯被分割為上、中、下3個部分,其中上部為空氣側,下部為氫氣側,密封瓦內襯損傷主要集中在中部,損傷沿中部內襯周向無規(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  密封瓦內襯巴氏合金的宏觀形貌

密封瓦由兩個半圓環(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)。密封瓦基體正面內側和外側有兩條寬度約為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)上均存在細小的疑似蝕坑損傷,蝕坑分布無規(guī)律(見圖4)。依據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,服役時密封瓦轉動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襯巴氏合金的化學成分,用直讀火花光譜儀分析密封瓦基體的化學成分,結果分別如表1,2所示。由表1,2可知：密封瓦內襯巴氏合金的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 《汽輪機錫基合金軸瓦技術條件》的要求；密封瓦基體的化學成分滿足GB/T 713—2014 《鍋爐和壓力容器用鋼板》的要求。 

1.3   金相檢驗

依據GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗方法》,分別將密封瓦損傷區(qū)及未損傷區(qū)進行切割、鑲嵌、打磨、拋光及腐蝕處理,腐蝕劑為4%(體積分數(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CB 1156—1992 《錫基軸承合金金相檢驗》,測量β相邊長及觀察β相分布,并對巴氏合金顯微組織中β相的質量進行評級。 

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,軟質相)＋白色針狀ε相(Cu6Sn5)＋白色塊狀立方形β相(SnSb,硬質相)組成,上部、中部及下部β相邊長級別及分布級別無差異,各區(qū)域β相邊長級別為1級,β相分布均勻,未見偏析現(xiàn)象,分布級別為1級。 

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相邊長級別為1級；上部表面β相出現(xiàn)團聚現(xiàn)象,結合面無β相,β相偏析較嚴重,分布級別為3級；中部表面及結合面β相呈正方形和細小不規(guī)則分布,分布級別為2級,表面及靠近結合面均存在沿無β相區(qū)域擴展的裂紋；下部表面β相出現(xiàn)團聚現(xiàn)象,表面無β相,β相分布級別為3級。 

1.4   硬度測試

依據GB/T 231.1—2018 《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》,利用布氏硬度計測試密封瓦內襯上部、中部及下部區(qū)域巴氏合金的硬度,硬度計壓頭直徑為2.5 mm,試驗力為306.5 N,測試結果如表3所示。由表3可知：密封瓦內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)由大量網狀裂紋組成,部分裂紋內鑲嵌有雜質；光亮的凹坑底部較為平整,可見裂紋擴展的特征形貌,這些裂紋形成網狀結構,進一步導致巴氏合金剝落；大塊脫落處底部可見準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

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

利用SEM觀察密封瓦基體,結果如圖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)域已無基體加工的車削痕跡,表明服役時密封瓦正面與密封座蓋發(fā)生磨損,導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,密封瓦與密封座蓋之間應留有0.20～0.25 mm間隙,使運行時密封瓦與座蓋不發(fā)生磨損,而破損的密封瓦基體上存在磨損發(fā)黑痕跡,表明實際運行時密封瓦與座蓋發(fā)生了相對轉動,使密封瓦及密封座蓋發(fā)生磨損。磨損產物隨著密封油進入密封瓦上部、中部及下部的流道內,密封瓦轉動時這些磨損產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,原因是磨損產生的熱量使密封油溫度上升,導致基體黏度降低、油膜變薄、邊界油膜性能下降[1－2],進一步影響密封瓦的服役性能。 

對于錫基巴氏合金,在Sn－Sb二元合金體系中,只有當Sb元素質量分數(shù)大于7.5%時,結構中才會出現(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元素過量才會生成細小ε相(Cu6Sn5)。ε相是β相SnSb立方晶體的結晶核心。在結晶過程中,ε相首先從溶體中以網狀形式結晶出來,因而可以阻止其后析出的β相因質量輕上浮而產生偏析,使形成的晶體更加均勻、細小[3]。破損的密封瓦內襯巴氏合金中Cu元素含量低于標準要求,使材料中ε相偏少,引起β相發(fā)生偏析。破損的密封瓦內襯巴氏合金中As元素含量低于標準要求,As元素通常固溶在基體內,起到細化晶粒、提高合金強度的作用,其含量偏低會降低巴氏合金的力學性能。 

正常的巴氏合金基體上應分布著均勻、彌散、細小的β相立方晶體,允許存在少量呈桿狀、針狀或點狀的晶體,晶體應無明顯方向性,垂直于基體,不允許存在偏析和堆積現(xiàn)象。如果β相的硬質質點較大或分布不均勻,在服役過程中,合金中單個晶體將承受過大的壓力并發(fā)生破裂。β相分布越不均勻,單個晶體受力也越大,晶內產生變形、滑移,會破壞晶界,使合金疲勞強度降低。只有β相的晶體較細、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展,從而使裂紋沿著巴氏合金表面及內部擴展,最終導致巴氏合金脫落。 

3.   結論

安裝發(fā)電機密封瓦時,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,磨損產物的存在使密封油油質劣化,并造成巴氏合金表面開裂,內襯巴氏合金材料的化學成分不合格,β相分布不均勻,導致其承載能力變差,在周期性載荷的作用下,密封瓦發(fā)生疲勞脫落。 

文章來源——材料與測試網