超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛后熱處理工藝研究

中國(guó)是一個(gè)生產(chǎn)煤炭的大國(guó)，熱能發(fā)電是主要的發(fā)電方式。超超臨界發(fā)電機(jī)組具有能耗小、效率高、低排放等優(yōu)點(diǎn),發(fā)展超超臨界機(jī)組將是我國(guó)清潔煤發(fā)電技術(shù)的主要發(fā)展方向,也是解決電力短缺、能源利用率低和環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題的最現(xiàn)實(shí)和最有效的途徑。大容量、高參數(shù)燃煤機(jī)組超超臨界機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)是多方面的,在設(shè)計(jì)和制造上都有高難技術(shù),而開(kāi)發(fā)熱強(qiáng)性高、工藝性好且價(jià)格低廉的材料是最關(guān)鍵的問(wèn)題。目前,國(guó)外(尤其是日本、德國(guó))對(duì)該種機(jī)組材料的開(kāi)發(fā)研制、制造能力和水平均處于領(lǐng)先地位,而我國(guó)對(duì)新型耐熱鋼的研究遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。發(fā)達(dá)國(guó)家在材料上的研究和制造的壟斷狀況勢(shì)必對(duì)我國(guó)未來(lái)的電站汽輪機(jī)技術(shù)發(fā)展、產(chǎn)品的成本和市場(chǎng)占有率產(chǎn)生負(fù)面影響。近年來(lái),由于國(guó)內(nèi)電力供應(yīng)矛盾突出,大容量、高參數(shù)的超超臨界發(fā)電機(jī)組得到了大力發(fā)展,目前,我國(guó)已具備制造百萬(wàn)千瓦超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組成套設(shè)備的能力。國(guó)內(nèi)一重、二重、上重等重機(jī)廠抓緊開(kāi)展百萬(wàn)千瓦超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的研制,但因沒(méi)有掌握超超臨界轉(zhuǎn)子大鍛件的性能控制技術(shù),以致于制造盲目性很大。Cr含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為9%～12%的鐵素體耐熱鋼因其低成本、強(qiáng)韌性能高、抗蠕變性能好、抗氧化和抗腐蝕性能良好,以及高的抗熱疲勞性能,越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于超超臨界發(fā)電機(jī)組,以實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、環(huán)保的目的。為了充分發(fā)揮該鋼種的潛能,使工藝設(shè)計(jì)更科學(xué),本文闡述了X12CrMoWVNbN10-1-1鋼超超臨界轉(zhuǎn)子鍛后熱處理工藝制定的原理及依據(jù),并將該工藝應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)制造過(guò)程,獲得了良好的效果。1.研究制定材料中的ttt曲線為了得到較均勻與細(xì)小的晶粒,除冶煉、澆鑄、鍛造應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧┩?主要應(yīng)在熱處理中努力。大鍛件的鍛后熱處理,又稱(chēng)第一熱處理或預(yù)備熱處理,通常是緊接在鍛造過(guò)程完成之后進(jìn)行的。對(duì)于組織遺傳嚴(yán)重的鍛件,可以采取提高α→γ相變區(qū)加熱速度,多次正火或等溫過(guò)冷奧氏體等熱處理工藝進(jìn)行細(xì)化晶粒。超超臨界轉(zhuǎn)子鍛件尺寸大,而且為了避免熱處理過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)大的內(nèi)應(yīng)力甚至裂紋,需要緩慢地加熱與冷卻,所以很難通過(guò)加熱速度以及冷卻速度來(lái)控制鍛件的晶粒大小。而由于本鍛件鍛后正火易開(kāi)裂,因此不允許多次正火。相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大過(guò)程的研究表明,X12CrMoWVNbN10-1-1鋼的擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變組織再經(jīng)過(guò)重新加熱奧氏體化后,只要有合適的加熱溫度和保溫時(shí)間是可以細(xì)化晶粒,而且也能使鍛件切削加工性能達(dá)到要求。因此,我們?cè)谥贫ǔR界轉(zhuǎn)子鍛后熱處理工藝時(shí),采用等溫過(guò)冷奧氏體使其產(chǎn)生擴(kuò)散型相變組織,以切斷組織遺傳的方式控制晶粒大小,制定的鍛后熱處理工藝如圖1所示。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定了X12CrMoWVNbN10-1-1鋼的TTT曲線,如圖2所示。由曲線可得,該鋼種C-曲線鼻溫在680～720℃之間,在該溫度處,過(guò)冷奧氏體最不穩(wěn)定,孕育期較短,轉(zhuǎn)變速度較快。故制定該鋼種轉(zhuǎn)子鍛后熱處理工藝時(shí),將工件定在過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變溫度680～720℃范圍內(nèi)保溫,通過(guò)在該溫度處的長(zhǎng)時(shí)間等溫處理以獲得擴(kuò)散型相變產(chǎn)物,即鐵素體+碳化物的混合組織,以切斷非擴(kuò)散型相變組織導(dǎo)致的遺傳,為后續(xù)熱處理獲得合適的晶粒度打下基礎(chǔ)。實(shí)際操作時(shí),如考慮大鍛件的成分偏析問(wèn)題,可使熱處理溫度在一定范圍內(nèi)連續(xù)波動(dòng),會(huì)更符合工件的實(shí)際轉(zhuǎn)變情況。工件在680～720℃長(zhǎng)時(shí)間等溫后,將使鍛件獲得完全珠光體組織,但原奧氏體晶粒度非常不均勻且局部粗大,給鍛后熱處理結(jié)束后的超聲波探傷帶來(lái)困難。為獲得均勻細(xì)小的組織,解決轉(zhuǎn)子鍛件熱處理后的超聲波探傷問(wèn)題,熱處理時(shí)在第一次680～720℃長(zhǎng)時(shí)間等溫后加一道高溫奧氏體化過(guò)程。相關(guān)研究表明,X12CrMoWVNbN10-1-1鋼在1050℃以下溫度保溫可獲得細(xì)小均勻的奧氏體晶粒尺寸,因此,將該奧式體化溫度定在1010～1050℃之間。轉(zhuǎn)子鍛件經(jīng)在1010～1050℃奧氏體化后組織將會(huì)細(xì)化,后續(xù)在680～720℃間的平衡轉(zhuǎn)變完成時(shí)間相應(yīng)變短。該工藝曲線經(jīng)過(guò)模擬驗(yàn)證可行。2.轉(zhuǎn)子熱處理效果分析X12CrMoWVNbN10-1-1鋼超超臨界轉(zhuǎn)子鍛后熱處理的主要目的是:(1)消除熱應(yīng)力,降低鍛件的表面硬度,提高其切削加工性能,這是鍛造熱處理最直接和最初的目的。(2)調(diào)整和改善大鍛件在鍛造過(guò)程中所形成的過(guò)熱與粗大組織,細(xì)化鋼的奧氏體晶粒。(3)提高鍛件的超聲波探傷性能,消除草狀波,使得鍛件中的各種內(nèi)部缺陷都能夠較清晰地顯示出來(lái),以杜絕不合格鍛件向下道工序的轉(zhuǎn)移。為達(dá)到上述目的,對(duì)實(shí)際生產(chǎn)超超臨界轉(zhuǎn)子執(zhí)行圖1所示的鍛后熱處理工藝。粗加工后對(duì)轉(zhuǎn)子鍛件進(jìn)行超聲波探傷,檢測(cè)靈敏度為φ1.0～φ1.5mmFBH,可見(jiàn)晶粒細(xì)化效果較好。轉(zhuǎn)子鍛件鍛后熱處理后毛坯件及粗加工后實(shí)物如圖3所示。此外,我們對(duì)熱處理后的轉(zhuǎn)子鍛件取樣,進(jìn)行顯微組織觀察與分析。由圖4可見(jiàn),轉(zhuǎn)子鍛件經(jīng)鍛后熱處理,獲得擴(kuò)散型相變產(chǎn)物鐵素體加碳化物,組織中未發(fā)現(xiàn)非擴(kuò)散相變組織(馬氏體、貝氏體)存在,非擴(kuò)散型相變組織導(dǎo)致的遺傳已被切斷。圖4a、圖4b分別為轉(zhuǎn)子心部組織和表面組織,兩者晶界處皆存在網(wǎng)狀碳化物,且在原奧氏體晶粒內(nèi)部都存在顏色深淺程度不同的塊狀組織。轉(zhuǎn)子表面組織中的晶粒尺寸及晶粒內(nèi)的塊狀尺寸明顯小于心部組織處的。相關(guān)研究表明,在塊狀內(nèi)部分布著碳化物,不同區(qū)域內(nèi)碳化物粗細(xì)和密集程度相差甚遠(yuǎn),且分布不均勻。在光學(xué)顯微鏡下對(duì)轉(zhuǎn)子鍛后組織進(jìn)行放大觀察,如圖4c、圖4d所示,在原奧氏體晶界及晶粒內(nèi)不同塊與塊交界處都有鏈狀碳化物分布,晶粒內(nèi)部分布較多顆粒狀碳化物,晶界附近碳化物聚集成冷杉樹(shù)狀形貌,并向原奧氏體晶粒內(nèi)部延伸。晶界附近碳化物數(shù)量很多,越往原奧氏體晶粒內(nèi)部顆粒狀碳化物數(shù)量越少。我們對(duì)經(jīng)鍛后熱處理的轉(zhuǎn)子心部試樣進(jìn)行了模擬淬火處理,試樣在1050～1080℃保溫25h后淬火,得到圖5所示組織。從掃描組織可見(jiàn),試樣經(jīng)1050～1080℃保溫淬火后,得到完全淬火態(tài)馬氏體組織,鍛后熱處理組織中的鏈狀及顆粒狀碳化物基本固溶于基體,原奧氏體晶界處無(wú)任何擴(kuò)散型相變組織存在,試樣晶粒度為3級(jí)?？梢?jiàn)轉(zhuǎn)子鍛件經(jīng)上述鍛后熱處理,可為后續(xù)的性能熱處理提供良好的基礎(chǔ)組織。3.試驗(yàn)結(jié)果分析本文以X12CrMoWVNbN10-1-1鋼的TTT曲線為理論依據(jù),結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況并考慮熱處理效率問(wèn)題,制定了X12CrMoWVNbN10-1-1鋼超超臨界轉(zhuǎn)子鍛后熱處理工藝。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該工藝的可行性后應(yīng)用于超超臨界轉(zhuǎn)子的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程。生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)轉(zhuǎn)子鍛件進(jìn)行取樣操作,分析轉(zhuǎn)子鍛件經(jīng)上述工藝處理后的顯微組織及該組織對(duì)后續(xù)性能熱處理的影響。由上述試驗(yàn)及分析結(jié)果可得:(1)超超臨界轉(zhuǎn)子在680～720℃長(zhǎng)時(shí)間等溫后,可獲得擴(kuò)散型相變產(chǎn)物,即鐵素體+碳化物的機(jī)械混合物,非