張海峰 邵奎祥 張國(guó)利 穆傳友(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是發(fā)電設(shè)備中最重要的零件之一，其生產(chǎn)過(guò)程主要包括冶煉、鑄錠、鍛造、熱處理、粗加工等環(huán)節(jié)，不僅工序多、周期長(zhǎng)，而且每一環(huán)節(jié)的執(zhí)行情況都會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子的性能、質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。30Cr2Ni4MoV鋼由于具有淬透性高、綜合力學(xué)性能好和冷熱加工性能優(yōu)良等特點(diǎn)，成為應(yīng)用最廣泛的汽輪機(jī)低壓整鍛轉(zhuǎn)子材料[1]。

我公司為某廠(chǎng)生產(chǎn)的30Cr2Ni4MoV低壓轉(zhuǎn)子，在進(jìn)行性能檢驗(yàn)時(shí)沖擊功不合格，本文通過(guò)分析低壓轉(zhuǎn)子生產(chǎn)過(guò)程，并在實(shí)驗(yàn)室利用掃描電鏡和光學(xué)顯微鏡等檢測(cè)手段進(jìn)行檢測(cè)和分析，確定了低壓轉(zhuǎn)子沖擊功不合格的原因。

1 產(chǎn)品信息

低壓轉(zhuǎn)子軸身最大直徑為?835 mm，長(zhǎng)度為3123 mm，交貨重約2783 kg，具體形狀如圖1所示，其性能熱處理時(shí)粗加工取樣圖如圖2所示。

圖1 低壓轉(zhuǎn)子交貨圖Figure 1 Delivery diagram of low pressure rotor

圖2 低壓轉(zhuǎn)子粗加工取樣圖Figure 2 Sampling diagram of low pressure rotor after rough machining

2 生產(chǎn)過(guò)程

本產(chǎn)品使用83 t鋼錠制造，1次鐓粗拔長(zhǎng)鍛造工藝，鍛造完成后進(jìn)行兩次過(guò)冷+1次高溫的鍛后熱處理以細(xì)化晶粒。鍛件性能熱處理工藝為淬火+高溫回火，工藝曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 低壓轉(zhuǎn)子性能熱處理曲線(xiàn)Figure 3 Performance heat treatment curve of low pressure rotor

表1 低壓轉(zhuǎn)子性能結(jié)果Table 1 Performance results of low pressure rotor

貝氏體回火組織晶粒度6．5級(jí)

圖4 試樣A金相組織與晶粒度Figure 4 Metallographic structure and grain size of sample A

圖5 試樣B金相組織與晶粒度
Figure 5 Metallographic structure and grain size of sample B

3 結(jié)果及分析

低壓轉(zhuǎn)子性能檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知，低壓轉(zhuǎn)子兩軸端縱向L1、L2和軸身X2部位性能均合格，軸身X1部位沖擊功未能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，其平均值為76 J，最低值為66 J，經(jīng)雙倍試樣復(fù)驗(yàn)后沖擊功平均值為75 J，最低值為54 J。

為了研究該低壓轉(zhuǎn)子X(jué)1部位沖擊功低的原因，選取了X1和X2部位的沖擊斷口殘樣進(jìn)行金相組織、斷口掃描電鏡觀(guān)察，其中X2部位的沖擊功為168 J(以下簡(jiǎn)稱(chēng)試樣A)，X1部位沖擊功為66 J(以下簡(jiǎn)稱(chēng)試樣B)。

試樣A與試樣B的金相組織如圖4、圖5所示。可以看出，X1部位金相組織和晶粒度并無(wú)明顯異常，均為貝氏體回火組織，晶粒度約6.5～7.5級(jí)。

試樣A斷口形貌如圖6所示。由圖可見(jiàn)，其宏觀(guān)斷口面不平，兩側(cè)剪切唇較大，斷口塑性變形嚴(yán)重，吸收能量多，韌性好，斷口呈纖維狀，在掃描電鏡下觀(guān)察，其微觀(guān)斷口為韌窩斷口。

試樣B斷口形貌如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，其宏觀(guān)斷口形貌較為異常，表面無(wú)金屬光澤、淺灰色，有棱角的類(lèi)似沙石粒堆集在一起，屬于明顯的石狀斷口[2]。在掃描電鏡下觀(guān)察，其斷口中分布有許多小平面，呈現(xiàn)有明顯的沿晶斷口特征，對(duì)上述小平面進(jìn)一步放大觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)均為細(xì)小和極淺的韌窩所構(gòu)成，在少量韌窩中發(fā)現(xiàn)有夾雜或析出物，經(jīng)能譜儀分析，較大顆粒者為Al2O3和BN，細(xì)小者為MnS夾雜，詳見(jiàn)圖8～圖10，同時(shí)能譜成分分析中出現(xiàn)Cu元素。

宏觀(guān)100×500×1000×

圖6 試樣A斷口SEM形貌Figure 6 SEM appearance of sample A fracture

圖7 試樣B斷口SEM形貌Figure 7 SEM appearance of sample B fracture

圖8 試樣B韌窩中BN夾雜物能譜分析Figure 8 Energy spectrum analysis of BN inclusions in sample B dimple

圖9 試樣B韌窩中Al2O3夾雜物能譜分析Figure 9 Energy spectrum analysis of Al2O3 inclusions in sample B dimple

圖10 試樣B韌窩中MnS夾雜物能譜分析
Figure 10 Energy spectrum analysis of MnS inclusions in sample B dimple

石狀斷口是由于鍛件過(guò)燒或嚴(yán)重過(guò)熱所造成的，在低壓轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)過(guò)程中，鍛件的X1部位存在過(guò)熱，此時(shí)的奧氏體晶粒非常粗大(由圖7可知，晶粒度約0級(jí))，這會(huì)促使MnS、Al2O3、BN等析出夾雜物朝晶界處偏聚，同時(shí)還有Cu元素偏聚，這都會(huì)極大的弱化奧氏體晶界性能，降低低壓轉(zhuǎn)子的沖擊韌性。

根據(jù)資料可知，過(guò)熱可分為不穩(wěn)定過(guò)熱和穩(wěn)定過(guò)熱兩種[2]。當(dāng)過(guò)熱鋼中晶界無(wú)析出相時(shí)，屬于不穩(wěn)定過(guò)熱，可以通過(guò)重結(jié)晶予以消除，來(lái)恢復(fù)鋼的原有性能；當(dāng)過(guò)熱鋼中晶界有析出相時(shí)，在一般的熱處理溫度下，析出相因不能完全固溶而很難消除。由圖8～圖10可知，鍛件X1部位屬于穩(wěn)定過(guò)熱，因此即使通過(guò)后續(xù)多次重結(jié)晶使鍛件實(shí)際的奧氏體晶粒變細(xì)(晶粒度約為6.5～7.5級(jí)，見(jiàn)圖4和圖5)，但其原始奧氏體晶界的薄弱環(huán)節(jié)仍然存在，因而無(wú)法改善該位置的沖擊韌性性能。

在低壓轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)過(guò)程中，鍛件裝爐時(shí)都必須遵循嚴(yán)格的熱處理工藝規(guī)范，鍛件到爐體擋火墻、端墻、側(cè)墻等部位的距離都有嚴(yán)格的規(guī)定。裝爐操作時(shí)如果沒(méi)有滿(mǎn)足相應(yīng)的規(guī)定，在進(jìn)行鍛造或熱處理時(shí)鍛件就有可能因離爐體出火口距離不當(dāng)而造成局部過(guò)熱。因此，在轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格按照熱處理工藝規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行生產(chǎn)，就可以避免再次出現(xiàn)類(lèi)似的問(wèn)題。

4 結(jié)論

利用掃描電鏡等檢測(cè)手段對(duì)低壓轉(zhuǎn)子沖擊斷

口進(jìn)行檢測(cè)和分析，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中鍛件裝爐不當(dāng)，使鍛件局部過(guò)熱是造成低壓轉(zhuǎn)子沖擊功不合格的直接原因。

[1] 潘東煦，顧劍峰，陳睿愷，等. 30Cr2Ni4MoV低壓轉(zhuǎn)子鋼不同微觀(guān)組織下的力學(xué)性能[J]．金屬熱處理，2011，36(5)：1-4.

[2] 康大韜，葉國(guó)斌. 大型鑄鍛件材料及熱處理[M]. 龍門(mén)書(shū)局，1998.