17-4PH不锈钢激光淬火疲劳性能研究

　　汽轮机末级叶片处于低压工作段且圆周速度高，在湿蒸汽腐蚀介质环境下，承载着湿蒸汽所携带的水滴的巨大冲刷以及其他共同作用。特别是大机组普遍参与调峰，使他们在远离设计工况下工作，许多末级叶片出现了严重的水蚀现象[1-2]。发生严重水蚀不但会引起叶片的断裂破坏，导致机组发生强烈振动等恶性事故，而且可使级效率下降。

　　激光相变硬化可在不影响材料基体性能的前提下，提高其表面的硬度和强度等性能[3-6]，用于汽轮机末级叶片，可替代传统的感应淬火、电沉积、镶嵌司太立合金片等工艺[7-8]。由于汽轮机的末级叶片不但工作时遭受高速水滴的撞击而且还承受振动和高速转动所产生的动载荷，叶片的疲劳断裂是其失效的主要形式之一，同时疲劳性能也是影响叶片抗水蚀能力的重要因素，因此必须研究其对基材疲劳性能的影响。本文对汽轮机末级叶片材料17-4PH钢表面进行激光淬火，研究了激光淬火对17-4PH钢疲劳性能的影响。

　　1 实验材料及方法

　　本研究所用材料为汽轮机末级叶片材料17-4PH马氏体沉淀硬化型不锈钢。采用电炉加电渣重熔方法熔炼，其化学成分如表1所示。经(1040±10)℃×0.5h固溶处理，(816±5)℃×0.5h一次时效，(606±5)℃×5h二次时效后，进行表面激光淬火。采用TJ-HL-5000连续横流CO2激光器，激光功率500W，光斑直径6mm，焦距360mm，扫描速度45mm/s。

　　利用OlymPus-PM3型金相显微镜观察激光淬火前后的组织，侵蚀剂为三酸乙醇侵蚀剂(饱和苦味酸溶液20mL，浓硝酸10mL，浓盐酸20mL)。使用HVS-1000型显微硬度仪测定激光表面淬火处理后试样的截面显微硬度，加载砝码200g，加载时间15s。采用X' pert PRO型X射线衍射仪测试淬火后的17-4PH不锈钢的残余应力，实验采用侧倾固定ψ法进行测量。

　　利用PLG100型高频疲劳试验机，分别对激光表面淬火处理前后的试样进行疲劳试验。疲劳试样尺寸如图1所示，采用三点弯曲加载方式，跨距L=60mm，试验频率80～90Hz，应力比R=0.1。采用成组试验法测定疲劳寿命，应力水平采用4级应力水平。利用OPTPro2008型体式显微镜分析疲劳断裂的宏观断口。

　　2 结果及讨论

　　2.1 组织分析

　　激光淬火后的试样截面的金相组织如图2所示。由表面到基体，截面组织大致可分为淬硬层区、过渡层和基体。由于激光淬火的功率比较小，表面没有熔化层。淬硬层(左侧)经过金相腐蚀后显得白亮，从截面表面淬硬层向基体腐蚀颜色逐渐加深变黑。

　　2.2 显微硬度分析