ブレードインペラ鋳造品の残留応力はインペラの長期使用寿命にどのような影響を与えるか

ブレードインペラ鋳物 流体機械の心臓部であるこの機械は、多くの場合、高速、高圧、腐食性媒体、温度変動を伴う環境で動作します。稼働中、インペラは遠心力、油圧応力、熱応力などの複雑な負荷にさらされます。ただし、これらの外部荷重に加えて、鋳物内部には残留応力という隠れた脅威が潜んでいます。残留応力は、相転移および熱処理プロセス中の不均一な収縮または体積変化によって内部的に生成される自己平衡応力システムです。幾何学的に複雑なインペラ鋳造品の場合、残留応力の存在はインペラの長期動作寿命と構造的完全性に重大な影響を与えます。

残留応力と亀裂のリスクとの直接的な関係

鋳物割れの誘発

高レベルの引張残留応力は、鋳造品の熱間割れおよび冷間割れの主な原因となります。ブレード インペラの鋳物では、ブレードとハブ (ハブ/シュラウド) の間の厚い界面と幾何学的な急激な変化は、残留応力集中の危険性が高い領域です。

引張残留応力: この内部引張応力が材料の降伏強度または引張強度を超える場合、鋳造後の静的状態であっても、即時または遅延してマクロ亀裂が発生する可能性があります。

遅れ亀裂: 特にマルテンサイト系ステンレス鋼や特定のニッケル基合金などの特定の合金では、残留応力と水素脆化が組み合わさって遅れ亀裂を引き起こす可能性があります。この欠陥は多くの場合、工場検査時に検出するのが困難ですが、インペラの耐用年数の早い段階で突然の故障につながる可能性があります。

応力重畳効果

インペラが作動した後、残留引張応力が外部作動応力に重畳されます。

応力集中：高速回転時にインペラに発生する遠心応力は翼根元で最大になります。この領域に重大な鋳造残留引張応力も存在する場合、結果として生じる局所的な総応力は材料の安全限界をはるかに超える可能性があります。

降伏と変形: 重なり合った応力により、局所的な材料が早期に塑性変形段階に入り、インペラの幾何学的歪みにつながり、動的バランスが崩れ、最終的には深刻な振動やベアリングの損傷を引き起こす可能性があります。

疲労寿命と腐食挙動に対する残留応力の影響

疲労寿命の大幅な短縮

ブレード インペラの鋳造品は主に交互負荷の下で動作し、その疲労寿命は長期信頼性の重要な指標となります。

加速された疲労亀裂の発生: 引張残留応力により、応力サイクルの平均応力が効果的に増加します。グッドマンまたはヘイの疲労基準によれば、平均応力の増加により材料の疲労限界が大幅に短縮され、欠陥での疲労亀裂の発生が促進されます。

疲労成長の推進力: 残留引張応力は、発生した微小亀裂に対して追加の推進力を提供し、羽根車の重要な耐荷重領域を介して亀裂がより高い速度で伝播し、早期疲労破壊につながります。

加速応力腐食割れ (SCC)

多くのインペラ鋳物、特にステンレス鋼または二相鋼で作られたものは、腐食性媒体 (塩化物溶液など) 中で動作する必要があります。

SCC 感受性: 応力腐食割れ (SCC) は、腐食と引張応力の複合効果によって引き起こされる故障モードです。残留引張応力だけでも、SCC に必要な応力条件を構成するには十分です。

局所陽極効果: 残留応力の高い領域の粒界または微細構造がより活性化され、局所陽極が形成される可能性があります。これにより、電気化学的腐食が促進され、材料の降伏強度をはるかに下回る温度で脆性亀裂が急速に発生します。これは、石油化学や海洋用途で使用される耐食合金で作られたインペラにとって非常に危険です。

鋳造工程における残留応力の重要な制御

ブレード インペラ鋳造品の残留応力を制御することは、鋳造エンジニアの主要なタスクの 1 つです。

熱処理の必要性: 残留応力を解放または再分散するために、通常、応力除去焼鈍または特定の溶体化処理が使用されます。新たな熱応力の導入や材料の微細構造への影響を回避するには、加熱速度、保持時間と温度、冷却速度を正確に制御することが重要です。

凝固と冷却の最適化: 冷却の使用や金型の熱間金型温度の制御など、金型の設計と冷却速度を最適化することで、すべてのインペラ コンポーネントにわたって凝固と均一な冷却を同時に実現し、発生源での残留応力を最小限に抑えることができます。