一种根据GBF区尺寸预测离心压缩机叶轮可再制造性的方法

摘要

本发明公开了一种根据GBF区尺寸预测离心压缩机叶轮可再制造性的方法，包括如下步骤：针对一组与待预测叶轮材质相同的试件，使用单步循环载荷σ

说明书

技术领域

本发明涉及一种离心压缩机叶轮可再制造性预测方法，尤其涉及一种根据 GBF区尺寸的预测方法。

背景技术

再制造是以报废的设备或零部件的循环使用和反复利用为目的的，将报废 的产品作为坯料，利用先进的处理技术进行再制造，使得原来报废的设备或零 部件重新恢复使用性能，而形成一系列产品的一种全新的生产过程。

可再制造性评价旨在与判断零件在经历一个服役周期后，经过再制造加工 后，能否在下一个服役周期安全运行。不同于新品材料，再制造对象经过一个 生命周期的运行后，工件表面及材质内部都可能出现损伤。离心压缩机叶轮材 料一般选择FV520B、KMN等高强度钢，其突出特点就是强度高，一般发生的 疲劳都属于高周/超高度(>10⁷)疲劳。在高周/超高周载荷作用下，“内部损伤” 是离心压缩机疲劳寿命的主要因素。

新品零件与再制造对象的内部损伤状态有所差异。新品零件的内部损伤以 内部夹杂和缺陷为主要形式；而再制造对象已经历一个服役周期，GBF区是再 制造对象内部损伤的主要形式，其表现为夹杂物周围的一系列微小裂纹。因此， 检测离心压缩机叶轮再制造对象的GBF区大小，并根据GBF区尺寸进行可再制 造性判断是保证离心压缩机叶轮再制造后服役安全性的关键。

可再制造性判断的关键问题是零部件内部损伤的检测，而实际操作中内部 损伤检测难度很大，当前主要的检测方式有无损检测和断口检测，其中无损检 测的主要方式是超声波探伤(UT)([200920213685.2])和磁粉法。《钢中缺陷的超 声波定性探伤》详细讲述的超声波探伤的设备及原理方法，超声波定位虽然使 用简便，但是测量精度较低，检测的深度也明显不足，对于尺寸小于10μm的 夹杂物很难定位和检测，对于GBF区的尺寸更是无法确定。磁粉法 ([201210299800.9])是另外一种常用的无损检测方法，基于磁场在裂纹部分发 生改变来确定内部裂纹，这种方法对于简单的裂纹位置的检测很实用，但是很 难准确检测内部裂纹的大小和性质。

断口检测是另一种常用的检测方法，通过使用扫描电镜或光学显微镜观察 疲劳断口表面，从而确定夹杂物尺寸、GBF区尺寸等信息，检测更加直接，但 是断口是在疲劳损伤破坏后检测的，其测量数据并不能代替再制造对象(再制 造对象通常存在内部损伤，但尚未断裂)的损伤状态。以上多种内部损伤检测 方法，由于测量精度、测量深度、数据类型等限制，都难以准确检测经历一个 服役周期后零件内部GBF区位置及大小。

离心压缩机叶轮应力循环次数达到疲劳寿命的5％-10％，GBF区即开始形 成，其再制造对象通常存在GBF区。GBF(granular bright facet)区的形成过程 主要是裂纹前缘塑性区的最大尺寸与微裂纹增长速率之间数值大小相对转变的 结果。GBF区的尺寸不仅与氢的富集密度有很大的关系，更取决于外加载荷的 大小，GBF区尺寸随载荷的增大而减小，当外加载荷接近屈服极限时，会导致 GBF区尺寸不会出现大幅改变。因此，针对服役一个周期后的零件，施加接近 屈服极限的循环载荷直至断裂，则可认为断裂后检测的GBF区尺寸为“再制造 对象”的GBF区尺寸。

界定许用GBF区尺寸也是判断离心压缩机叶轮可再制造性的关键环节。采 用超高周疲劳试验，可以确定等效载荷作用下的疲劳寿命；根据GBF区尺寸的 应力敏感性原理，结合统计的超高周疲劳寿命数据，应用“两步变幅加载”的 方式进行疲劳试验，则可检测确定1/2循环周期情况下的GBF区大小，即满足 可再制造性要求的许用GBF区尺寸。

发明内容

本发明针对以上现有技术的缺陷，提出的一种根据GBF区尺寸预测离心压 缩机叶轮可再制造性的方法，包括如下步骤：

首先，选取一组与叶轮材质相同的试件，根据实际叶轮实际工况确定单步 循环载荷σ_l，对该组试件进行疲劳试验，直至试件断裂，记录循环次数，得出叶 轮在确定许用GBF区尺寸用的循环次数N_f1。

然后，根据GBF扩展与应力水平间的关系，确定该种材质试件的检测GBF 区大小时施加的周期性载荷σ_h。

选取另一组完全相同(同材质、同工艺、同尺寸试件)的试件，进行二步变幅 加载疲劳试验，直至试件断裂，测量每个试件断裂时的GBF区尺寸，通过统计得到该 组试件GBF区尺寸，作为许用GBF区尺寸

选取一组已完成一个服役周期的叶轮材料试件，使用所述的周期性周期性 载荷σ_h进行加载直至试件断裂，测量组内每个叶轮断面的GBF区尺寸，统计得 到再制造对象的GBF区尺寸

比较所述的许用GBF区尺寸和GBF区尺寸的尺寸：

a.说明本批工件的剩余寿命要大于一个完整的生命周期， 可以再制造后使用；

b.说明本批工件的剩余寿命小于一个完整的生命周期， 不适合再制造。

作为一个较佳的实施方式，所述的单步循环载荷σ_l满足10＜σ_l-σ_ε＜50， 其中σ_ε为根据Haigh图计算得到的实际工况等效载荷。差值在10～50区间内，可以 保证计算得出的许用GBF区尺寸在安全范围内。

作为一个优选的实施方式，所述许用GBF区尺寸用的循环次数N_f1的确定方 法如下：首先对所述疲劳试验中的一组试件进行单步循环载荷σ_l的加载，直至试 件断裂，得到在单步循环载荷σ_l下组内各试件疲劳断裂循环次数N_i。

根据所述的疲劳断裂循环次数N_i，通过可靠度要求得到满足可靠度要求的 循环次数N_f0，所述的可靠度优选为R≥0.9。根据所述的循环次数N_f0，选择N_f1＝N_f0/2为单步循环载荷σ_l作用下确定许用GBF区尺寸用的循环次数N_f1。即选 择试件经过可靠度较大的循环次数的一半，作为同材质叶轮确定许用GBF区尺 寸用的循环次数。

作为一个较佳的实施方式，所述的确定许用GBF区尺寸的二步变幅加载疲 劳试验的过程如下：针对所述的另一组试件，使用单步循环载荷σ_l加载，循环次 数N_f1；改用所述的周期性载荷σ_h持续加载，直至试件断裂。

为了保证统计结果尽可能的保守，已保证预测结果的安全性，作为一个优 选的实施方式，所述统计采用下包络线统计法。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种根据GBF区尺寸预测离心压 缩机叶轮可再制造性的方法，能够准确测定经历一个服役周期的离心压缩机叶 轮内部GBF区大小；同时能够准确确定许用GBF区大小；最终可再制造性判断 结果准确可靠。确定许用GBF区大小过程中，施加的载荷σ_l略大于实际工况等 效载荷，根据GBF区扩展应力敏感性原理可知，得到的许用GBF区尺寸是相对保守的，则依据的可再制造性判断结果是可靠的。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描 述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不 付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的方法流程图。

图2是FV520B材料GBF区尺寸与外加载荷大小之间的关系曲线图。

图3是断口表面GBF区图像。

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明 实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

实施例1，如图1-图3所示：

步骤1：确定单步循环载荷σ_l：根据离心压缩机叶轮工况，结合Haigh图计 算等效载荷为σ_e＝580MPa，取σ_l＝625MPa，σ_l-σ_e＝45MPa，则后续得到的许用GBF 区尺寸是相对保守、可信的。

步骤2：得到单步等效载荷σ_l作用下的各试件疲劳断裂循环次数N_i：将一组 与离心压缩机叶轮同材质的FV520B试件在超高周疲劳试验机上进行疲劳加载， 本实例中所用的疲劳试验机为岛津USF-2000超声疲劳试验机，共振频率为 20KHz，共振时间为150ms，间歇时间为150ms，应力比R＝-1；测量的到的FV520B 试件的应力循环次数分别是1.94E+07、2.42E+07、2.01E+07、2.27E+07、2.37E+07、 1.83E+07、2.45E+07，……。

步骤3：得到满足可靠度要求的循环次数N_f0：取可靠度系数R＝0.95，经统 计运算得到满足可靠度的应力循环次数N_f0＝1.97E+07。

步骤4：得到单步等效载荷σ_l作用下确定许用GBF区尺寸用的循环次数N_f1：

N_f1＝N_f0/2＝0.98E+07

步骤5：确定不影响(或影响程度很小)GBF区扩展的循环载荷σ_h：结合 图1所示的FV520B材料GBF区尺寸与外加载荷大小关系曲线可以发现，当外 加循环载荷大于850MPa时,循环载荷对GBF区尺寸影响趋近于0，本例中取 σ_h＝900MPa。

步骤6：确定许用GBF区尺寸将一组与步骤2相同材质、相同工 艺、相同尺寸的FV520B试件在岛津USF-2000超声疲劳试验机上进行疲劳加载， 载荷幅值为单步循环载荷σ_l＝625MPa，循环次数N_f1＝0.98E+07；运行N_f1次循环 后，进行高应力循环加载直至断裂，循环载荷σ_h＝900MPa，使用扫描电子显微 镜(SEM测量断面上GBF区的尺寸；为了保证一定的裕度，使用下包络线的方 法，得到工件再制造的许用GBF区的尺寸经SEM测量，本组FV520B 试件在运行N_f1次循环后的GBF区尺寸分别为28、25、30、27、24、25、26、…… (单位为μm)，使用下包络线的方法，得出

步骤7：检测再制造对象的GBF区尺寸待检测对象为经历一个服 役周期的离心压缩机叶轮，叶轮材料为FV520B，在待检测叶轮中随机选出一组， 将工件裁剪、加工成合适的形状，在疲劳试验机上进行高应力循环加载直至断 裂，循环载荷σ_h＝900MPa，使用扫描电子显微镜(SEM)测量断面上GBF区的 尺寸，使用统计的方法得出待检测工件在完成一次生命周期后的GBF区的尺寸 本例中，再制造对象中的GBF尺寸检测数据分别为11、15、8、14、 14、16、12(单位为μm)，使用统计方法，取其中GBF尺寸最大值，

步骤8：判断离心压缩机叶轮可再制造性：由于根据GBF 夹杂物尺寸判断，本批叶轮工件的剩余寿命要大于一个完整的生命周期，具有 可再制造性。

值得注意的是，根据GBF区尺寸来检测离心压缩机叶轮的可再制造性的方 法主要包括两个环节：一是确定许用GBF区尺寸(步骤1-6)，二是检测经历一 个服役周期后离心压缩机叶轮GBF区尺寸，并与许用GBF区尺寸比较判断可再 制造性(步骤5、7、8)。其中，新品研制过程中，确定离心压缩机材料特性后， 即可按照步骤1-6确定许用GBF尺寸，界定GBF区尺寸(步骤1-6)仅需实施 一次即可，以减少重复性试验；而检测再制造对象GBF区尺寸(步骤5、7、8) 必须针对经历一个服役周期的零件，分批次进行检测、判断。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本 发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。