葉片是汽輪機中將汽流的動能轉換為有用功的極其重要的部件，它在運動著的水蒸氣介質中工作，過熱蒸汽中的氧易使葉片發生高溫氧化腐蝕，使其疲勞強度降低；在濕蒸汽中的游離水分子由于過冷凝結成水滴，沖擊動葉片易造成水沖蝕；在工作過程中，動葉片還承受著巨大的靜應力、動應力及交變應力，所有這些惡劣的工作環境，都將促使葉片斷裂失效。
某電廠６００ＭＷ 機組低壓轉子反向次末級葉片在服役時發生斷裂，葉片材料為０Ｃｒ１７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ鋼，級 別 相 當 于 ＧＢ／Ｔ ８７３２ － ２００４中 的
０Ｃｒ１７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ（Ⅰ）鋼。為查找斷裂的原因，筆者對失效葉片進行了理化檢驗及分析。
理化檢驗
１ 化學成分分析
從失效葉片上取粉末樣進行化學成分分析，結果見表１。可見葉片材料的化學成分符合 ＧＢ／Ｔ８７３２－２００４中的０Ｃｒ１７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ鋼的化學成分
要求。
２ 力學性能檢驗
在失效葉片的葉身處加工兩個縱向拉伸試樣、兩個縱向沖擊試樣及兩個硬度試樣（一個縱向和一個橫向）。拉伸試驗依據 ＧＢ／Ｔ２２８－２００２在ＣＭＴ５２０５型拉伸試驗機上進行；沖擊試驗依據ＧＢ／Ｔ２２９－２００７在ＪＢＣ３００電子測力沖擊試驗機上進行；布氏硬度試驗依據 ＧＢ／Ｔ２３１－２００２在 ＨＢ３０００Ｃ型臺式硬度計上進行，結果見表２。
可見試樣的抗拉強度、斷后伸長率和斷后收縮率均符合 ＧＢ／Ｔ８７３２－２００４ 對 ０Ｃｒ１７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ（Ⅰ）鋼的要求，但試樣的規定非比例伸長率為０．２％時的 應 力 （犚ｐ０．２）不 符 合 ＧＢ／Ｔ ８７３２－２００４ 對０Ｃｒ１７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ（Ⅰ）鋼的要求，僅符合 ＧＢ／Ｔ８７３２－２００４對０Ｃｒ１７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ（Ⅱ）鋼的要求；試樣的沖擊吸收能量符合 ＡＳＴＭ Ａ５６４－２００４對 Ｔｙｐｅ６３０ 級 鋼 （與 ０Ｃｒ１７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ（Ⅰ）鋼 相 近）經Ｈ１１５０熱處理后的≥４１Ｊ的要求；布氏硬度值符合ＧＢ／Ｔ８７３２－２００４ 對 ０Ｃｒ１７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ（Ⅰ）鋼 的要求。
３ 金相檢驗
在失效葉片的葉身處取樣加工兩個金相試樣（一個橫向和一個縱向），依據 ＧＢ１３２９８－１９９１，ＧＢ１３２９９－１９９１，ＧＢ／Ｔ１０５６１－２００５和 ＧＢ／Ｔ１３３０５－１９９１，在 ＯＬＹＭＰＵＳＧＸ７１型光學顯微鏡下進行顯微組織評定、非金屬夾雜物含量測定和δ鐵素體檢驗，結果見圖１～４，其中圖１為試樣的拋光態形貌，未侵蝕；圖２和３用ＦｅＣｌ３ 鹽酸水溶液侵蝕得到；圖４用鹽酸酒精溶液侵蝕得到。試樣的非金屬夾雜物為環狀氧化物 Ｄ１級，見圖１，符合ＧＢ／Ｔ８７３２－２００４要求的“細系和粗系均不得超過２級”的規定；顯微組織為回火馬氏體＋δ鐵素體，見圖２，原奧氏體晶粒度為７～８級，見圖４，符合ＧＢ／Ｔ８７３２－２００４要求的“平均晶粒度不粗于４級”的規定；δ鐵素體含量約１％～２％，見圖３，符合ＧＢ／Ｔ８７３２－２００４對該類鋼的“δ鐵素體最嚴重視場不應超過１０％”的要求。
４ 斷口分析
４．１斷口宏觀分析
經丙酮超聲波清洗后的斷口宏觀形貌如圖５所示，可見整個斷裂面由裂源區、裂紋擴展區和終斷區三部分組成，在終斷區存在明顯的剪切唇。葉片斷裂于葉片根部從葉身數起的齒與第二齒之間，但不是齒之間的處，略靠近齒，在與葉輪接觸區域邊緣上部的１～２ｍｍ處；斷裂源區位于出汽側靠近內弧邊緣處，斷裂面不同區域呈現暗褐色、淺藍色及金屬色共三種顏色；葉片斷口的出汽側斷面比較平坦，分布有細密貝殼紋，為裂源區；葉片斷口的進汽側斷面比較粗糙，起伏較大，有金屬光澤，為終斷區；在裂源區和裂紋擴展區均分布有間距不等、方向不同的貝殼紋，而且在裂紋擴展區的中、后期存在明顯的與貝殼紋方向垂直的有金屬光澤的臺階放射紋；總體上，貝殼紋間距存在一個由窄變寬的過程，這是由于裂紋在擴展過程中的振動類型和擴展速率不同決定的，貝殼紋較寬、擴展速率較快。
４．２ 斷口微觀分析
在 Ｑｕａｎｔａ４００ＨＶ 掃描電子顯微鏡下對葉片斷口的裂源區和裂紋擴展區進行顯微形態觀察，由于裂源區暴露于空氣和介質中的時間最長，并且裂紋在萌生過程中反復張開與閉合時摩擦的影響，使裂源區未見明顯的疲勞條紋。在裂紋擴展區的前期和中期，均可觀察到明顯的基本為等間距的疲勞條紋，如圖６所示，但兩者的疲勞條紋方向和寬度均不一致，這是由于裂紋在擴展過程中的振動類型和擴展速率不同決定的。
分析與討論
０Ｃｒ１７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ鋼屬于馬氏體沉淀硬化不銹鋼，多用于制造大型汽輪機低壓（次）末級扭曲動葉片，制造葉片時，采用精鍛加工，并根據不同強度要求，鍛后按Ⅰ級（１０４０℃水冷或空冷＋（６４９±５）℃回火４ｈ空冷）、Ⅱ級（１０４０℃水冷或空冷＋（８１６±５）℃保溫３０ｍｉｎ空冷＋（５６８±５）℃回火３ｈ空冷）或Ⅲ級（１０４０℃水冷或空冷＋（８１６±５）℃保溫３０ｍｉｎ空冷＋（６０５±５）℃回火５ｈ空冷）的熱處理制度進行固溶和時效處理，性能要求也有相應規定。熱處理后的鍛件應具有均勻的回火馬氏體，Ⅱ級和Ⅲ級的熱處理工藝采用二次固溶的目的在于增加奧氏體的穩定性，細化原奧氏體晶粒以及細化板條狀馬氏體的板條，這主要是為了提高鋼的韌性，并有助于抗疲勞腐蝕疲勞以及抗應力腐蝕性能的提高。進行時效沉淀硬化的目的在于析出富銅的析出物以達到強化效果。
金屬材料在高周疲勞條件下的疲勞抗力指標，通常用疲勞強度和疲勞缺口的敏感度來表示。疲勞強度就是指材料經受無限多次應力循環而不會斷裂的交變應力幅值，疲勞強度與靜強度之間大致存在著正比關系，即材料的屈服強度、抗拉強度越大，材料的疲勞強度也越大；實際零件不可避免地存在著各種幾何形狀上的變化，一般以缺口作為其典型代表，由于缺口的存在，使材料在承載時產生應力集中，從而使疲勞壽命縮短和疲勞強度降低。一般情況下，材料的靜強度越高，疲勞缺口敏感度也越大，從而疲勞強度的降低也就越嚴重。因此，在對葉片進行熱處理時，熱處理制度的選擇不能單以高強度作為依據，需要同時考慮疲勞強度和疲勞缺口的敏感度。
根據上述試驗結果和分析，并結合斷裂面上沒有出現明顯的塑性變形，應變循環幅度主要限制在彈性范圍內這一特征，可判斷葉片斷裂失效原因為高周疲勞斷裂。
結論及建議
葉片斷裂的原因為高周疲勞斷裂。為了減少和防止該類事故的發生，在葉片加工過程中應注意質量控制，盡量避免缺口，并考慮采用噴丸、激光強化等表面強化措施，以防止產生應力集中而導致葉片的損傷；另外，需要定期對汽輪機進行開缸檢查，特別要加強對葉片的質量檢驗，如目視檢測、超聲波檢測和滲透檢測等。
（資料來源于-鄭坊平，劉樹濤，王弘喆，唐麗英（西安熱工研究院有限公司，西安７１００３２））
