F級重型燃氣輪機靜葉環鍛件的國產化工藝試驗

文／董士良·上海宏鋼電站設備鑄鍛有限公司

王亞鵬·上海電氣電站設備有限公司汽輪機廠

F級重型燃氣輪機靜葉環鍛件的國產化工藝試驗

文／董士良·上海宏鋼電站設備鑄鍛有限公司

王亞鵬·上海電氣電站設備有限公司汽輪機廠

作為大尺寸薄壁環類鍛件，靜葉環按照傳統的工藝進行熱處理容易發生變形，利用鍛造余熱進行余熱淬火(正火)＋回火代替傳統的熱處理工藝在試驗和試制中都取得了很好的效果，一方面減少了熱處理變形，另一方面減少了熱處理道序，降低了生產成本。

按照F級重型燃氣輪機靜葉環鍛件國產化的要求，鍛件應在性能熱處理合格狀態下交貨。環類鍛件傳統的熱處理工藝是在輾環成形后空冷至室溫，再重新加熱到一定的溫度進行性能熱處理，但因大尺寸薄壁環類鍛件在經傳統熱處理后易發生變形，其直徑方向會產生橢圓度，高度方向會產生波浪形瓢曲，因此有必要對相關的生產制造工藝進行改進。

采用鍛后強制風冷＋回火的熱處理工藝代替傳統的淬火(正火）工藝，一方面可以減少熱處理的變形量，另一方面可以縮短生產周期、節約能源、降低能耗。為此，結合靜葉環鍛件的實際生產，我們對其中的16Mo3、S235JRG2＋N兩種材料，在鍛件擴孔后余熱淬火(正火）方面做了一些工藝試驗。

靜葉環鍛件工藝試驗

鍛造、擴孔工藝和熱處理工藝的確定

從16Mo3、S235JRG2＋N鋼的化學成分可看出，這兩種材料的鍛造溫度范圍比較寬泛，參照鐵碳相圖、材料的塑性、變形抗力、再結晶溫度等因素，并結合原先的生產經驗確定鍛造溫度范圍：始鍛溫度為1220℃，終鍛溫度為850℃。

另一方面，按TLV81704100規定，16Mo3靜葉環鍛件的性能熱處理工藝為890～950℃淬火，油冷，620～700℃回火，空冷。按DGTLV-804443001A規定，S235JRG2＋N靜葉環鍛件的性能熱處理工藝為890～950℃正火，空冷。對于S235JRG2＋N靜葉環鍛件，為消除輾環過程中因變形產生的殘余應力和正火過程中的冷卻應力，對其按600℃回火熱處理。

圖1 16Mo3及S235JRG2＋N靜葉環鍛件余熱淬火(正火）工藝曲線

圖2 16Mo3靜葉環鍛件回火工藝曲線

圖3 S235JRG2＋N靜葉環鍛件回火工藝曲線

綜合考慮后確定了如圖1～3所示的16Mo3及S235JRG2＋N靜葉環鍛件余熱淬火(正火）工藝曲線和回火工藝曲線。

余熱淬火(正火)工藝試驗

⑴16Mo3靜葉環鍛件余熱淬火工藝試驗。

16Mo3靜葉環鍛件傳統調質處理工藝與鍛后余熱性能熱處理工藝的比較如圖4所示。

靜葉環鍛件試件由φ150mm的坯料鍛成，坯料加熱至1220℃，均熱保溫適當時間后進行改鍛，鍛成300mm×120mm×70mm(編號70#）、300mm×120mm×100mm(編號100#）各一塊，將終鍛溫度控制在950℃，鍛后立即用軸流風機鼓風冷卻至室溫，接著試件進行620℃×4h的回火處理，在兩塊試料的中心部位取樣作力學性能和金相組織試驗，結果見表1。從表1可以看出，兩塊試件經鍛后余熱淬火＋620℃×4h回火性能熱處理后，力學性能和金相組織均符合TLV81704100規范的要求。

將上述兩塊試件余料接著按常規工藝進行正火或調質處理，即按920℃空冷或油冷＋620℃回火處理，力學性能和金相組織的比較見表2。

金相組織方面，3種方法熱處理后的組織均為鐵素體和珠光體，晶粒度均達7～8級。但從圖5、圖6可以看出，鍛后余熱淬火試件的組織中鐵素體含量相對較多，晶粒度相對粗一點，也可看到組織呈帶狀，這與試件未經細化晶粒、均勻組織、消除缺陷的傳統正火或調質處理有關，如試件再加上正火或調質處理，則組織中珠光體含量更多，晶粒更細。

力學性能方面，經過正火或調質處理的試樣略優于余熱淬火試樣，但余熱淬火試樣的力學性能也足夠滿足TLV81704100規范的要求。

圖4 16Mo3靜葉環鍛件傳統調質處理工藝與鍛后余熱性能熱處理工藝

⑵S235JRG2＋N靜葉環鍛件余熱正火工藝試驗。

S235JRG2＋N靜葉環鍛件傳統正火工藝與鍛后余熱性能熱處理工藝的比較如圖7所示。

靜葉環鍛件試件由φ180mm的坯料鍛成，坯料加熱至1280℃，均熱保溫適當時間后進行改鍛，鍛成200mm×120mm×60mm(編號60#）、300mm×155mm×150mm(編號150#）各一塊，將終鍛溫度控制在950℃左右，鍛后立即用軸流風機鼓風冷卻至室溫，接著試件進行600℃×4h的回火處理，在兩塊試料的中心部位取樣作力學性能和金相組織試驗，結果見表3。從表3可以看出，余熱正火熱處理后試樣的力學性能和金相組織滿足DGTLV-804443001A規范的要求。

■ 表1 16Mo3靜葉環鍛件經余熱淬火后的力學性能和金相組織

■ 表2 16Mo3靜葉環鍛件經正火或調質后的力學性能和金相組織

圖5 70#試件3種工藝金相組織比較

圖6 100#試件3種工藝金相組織比較

圖7 S235JRG2＋N靜葉環鍛件傳統正火工藝與鍛后余熱性能熱處理工藝

⑶余熱淬火(正火）工藝試驗結果分析。

從上述兩種材料的工藝試驗中可以看出，靜葉環鍛件高溫下快速 擴孔、快速冷卻相當于進行高溫形變淬火處理，即將靜葉環鍛件加熱到奧氏體穩定區域溫度，保溫適當時間后，在奧氏體穩定區內進行快速形變(擴孔），隨后快速冷卻進行淬火。靜葉環鍛件屬于大型環件，冷卻時散熱很快，如現場控制生產件數，采取強制鼓風冷卻，冷速很快，也可以達到大批量生產鍛件時油冷的效果，獲得要求的力學性能和組織。從現場擴孔情況看，采用數控輾環機，鍛件變形量大，形變速度快，始輾、終輾溫度控制準確，如現場鼓風冷卻設備到位，各參數控制到位，完全可以滿足TLV規定的力學性能要求。

■ 表3 S235JRG2＋N靜葉環鍛件經余熱正火后的力學性能和金相組織

靜葉環鍛件首批次試制

靜葉環鍛件試生產工藝流程：鍛件出坯(鐓粗、沖孔）→加熱至1220℃后保溫適當時間→快速輾環成形，控制終鍛溫度在900～950℃，鼓風冷卻處理至室溫→620℃(16Mo3）或600℃(S235JRG2＋N）×6h回火空冷處理→粗加工→超聲波探傷→本體割試料作力學性能試驗→試驗結果合格后流入下道工序。

出坯工藝

始鍛溫度1220℃，終鍛溫度850℃，保溫適當時間。

擴孔工藝

始鍛溫度1220℃，終鍛溫度950℃，保溫適當時間。

若采用強制風冷代替正火(淬火），需要控制擴孔終鍛溫度在950℃左右，但實際生產時終鍛溫度一般都在1050℃左右，若將鍛坯始鍛溫度1220℃降低，則擴孔機沒有足夠的輾壓力。為了使上述兩項參數均得到滿足，我們在鍛件擴孔時控制輾壓速度，并利用擴孔機冷卻水噴水冷卻鍛件，迫使其在規定的鍛造溫度區域變形，且有足夠的變形量，同時迅速降低鍛件溫度，以求得到等軸細小、均勻的晶粒度，保證產品在回火熱處理后達到要求的力學性能。

■ 表4 S235JRG2＋N靜葉環試制件的力學性能

■ 表5 16Mo3靜葉環試制件的力學性能

由擴孔機將鍛件輾擴至工藝尺寸后，吊至風場在1h內強制鼓風至200℃以下，空冷。

回火熱處理

鍛后回火熱處理溫度為600℃，保溫6h。

力學性能

⑴S235JRG2＋N靜葉環 鍛件。

S235JRG2＋N靜葉環試制件(H≤100mm）的力學性能見表4，由表4可以看出，本批次熔煉爐號為708BVD94的S235JRG2＋N靜葉環鍛件，經過余熱正火＋600℃回火后其屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率和沖擊功等力學性能指標均符合規定要求。

⑵16Mo3靜葉環鍛件。

16Mo3靜葉環試制件(40mm＜H≤60mm）的力學性能見表5，由表5可以看出，除xxx.xx.xx.02.14(1）＋ 1、xxx.xx.16.06(1）＋ 1的沖擊功小于31J的規定值(但不低于規定值的70%）外，其他均符合規定要求，故本次所投熔煉爐號為708BVD77的16Mo3靜葉環鍛件，按600℃保溫6h回火進行熱處理是合理、可行的。

靜葉環鍛件輾環成形后經余熱性能熱處理工藝，其力學性能完全滿足西門子TLV規范的規定要求。

變形

經過上述余熱淬火(正火）＋回火熱處理以后，經尺寸檢驗，靜葉環鍛件各方向的變形都很小，完全可以滿足后續精加工的要求。

結束語

綜上所述，通過制造工藝過程的改進，避免了F級重型燃氣輪機靜葉環鍛件按常規工藝進行熱處理易變形的問題，并且力學性能都符合TLV所規定的要求，同時減少了熱處理道序，降低了生產成本。靜葉環鍛件的國產化制造與應用研究為我公司燃氣輪機鑄鍛件全面國產化創造了有利的條件，達到了課題立項研究的目的。

到目前為止，采用本文中的余熱淬火(正火）工藝生產的靜葉環鍛件已近20臺套，經第三方認證(TUV認證）都達到TLV的規定要求，同時也取得了很好的經濟效益。

董士良，主要從事各類鍛件鍛造和汽輪機葉片模鍛生產的工藝技術研發、管理工作，擁有2項發明專利。