湿蒸汽环境下核电汽轮机转子焊接接头疲劳行为研究

面向百万千瓦核电汽轮机新型焊接转子的开发需求，针对湿蒸汽环境下模拟转子焊接接头的疲劳失效机理及预测模型开展研究。通过发展基于微拉曼光谱的表面水分子吸附与反应扩散的原位分析方法，开展疲劳载荷下表面化学反应的定量分析与表征，实现蒸汽环境促进疲劳过程的科学诠释和描述；进行蒸汽环境下扫描电镜原位/宏观疲劳试验，研究探讨蒸汽对裂纹扩展路径和近门槛值区裂纹扩展规律的影响，用GTN模型有限元分析不同残余应力和接头组织非均匀对裂纹扩展的影响；基于不可逆热力学原理和Fick定律，研究建立表面化学-力学参量的寿命预测模型。本项目内容体现了力学、表面化学和材料等多学科领域的交叉，可望从化学-力学角度阐明蒸汽环境下疲劳失效的基本规律并建立预测方法，为核电汽轮机焊接转子焊接工艺优化和提升我国机械产品的本质可靠性、增强我国重大装备制造业的核心竞争力提供支持。

围绕新型汽轮机转子的疲劳破坏问题，研制了蒸汽-外载荷装置耦合的疲劳和蠕变试验系统，完成了蒸汽环境下的转子疲劳、蠕变行为试验，阐明了表面氧化及外力作用规律。考虑服役温度和新结构60年设计寿命问题，研究了370℃环境下转子焊接接头的疲劳行为，基于原位微拉伸和疲劳试验，获得了接头不同微区的疲劳行为。率先开展了蠕变疲劳交互作用下汽轮机转子钢的循环塑性问题研究，揭示了棘轮变形与微组织演化规律，提出了寿命预测修正模型。部分成果应用于核电汽轮机新型焊接转子的开发，获2010年度上海市科技进步一等奖。发表论文21篇，其中SCI收录16篇，授权国家发明专利3项，国家软件著作权2件。培养博士后研究人员1人，毕业博士研究生2人，硕士研究生5人。