汽輪機轉子鍛件高溫擴散退火工藝的試驗研究

劉鑫剛　陳　歡　金　淼　王玉輝　張清華

1.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室(燕山大學)，秦皇島，0660042.燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心，秦皇島，0660043.中國第二重型機械集團公司，德陽，618000

汽輪機轉子鍛件高溫擴散退火工藝的試驗研究

劉鑫剛1陳歡1金淼1王玉輝2張清華3

1.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室(燕山大學)，秦皇島，0660042.燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心，秦皇島，0660043.中國第二重型機械集團公司，德陽，618000

基于試驗方法，結合高中壓汽輪機轉子鍛件實際生產工藝，研究了不同保溫時間、鍛造火次處理后晶粒尺寸、組織、力學性能的變化規律，揭示了高溫擴散退火對30Cr1Mo1V鋼的影響。試驗結果表明：高溫擴散退火可消除因枝晶偏析與鍛造變形產生的條帶組織；只在鍛前進行高溫擴散退火，試樣晶粒尺寸較小，且擴散的均質化作用提高了30Cr1Mo1V鋼的橫向韌性；鍛后長時間高溫加熱將導致晶粒過大、組織粗化，大大降低了韌性；高溫擴散退火對30Cr1Mo1V鋼塑性無顯著影響。

30Cr1Mo1V；高溫擴散退火；組織；力學性能

0　引言

大型鍛件生產中的高溫擴散退火工藝是20世紀70年代從國外引進的，主要是為了減輕或消除鋼錠中的枝晶偏析，提高鍛件的力學性能。最初該工藝主要用于轉子鍛件，隨后又出現在軋輥、容器等大型鍛件的生產中[1]。由于大型鍛件的生產工序繁多，而高溫擴散退火需要在高溫狀態下對鋼錠或鍛件進行長時間保溫，不僅能耗大，而且延長了生產周期，因此，高溫擴散退火保溫時間的長短甚至存與廢一直有諸多爭議。

隨著大型鍛件產量的快速增長，以及來自成本、節能減排的壓力，鍛造企業逐步減少甚至取消了高溫擴散退火工藝。但隨之而來的是產品性能產生了較大的波動，尤其是韌性[2]，某些產品的力學性能甚至低于采購標準，造成鍛件的報廢，帶來了巨大的經濟損失。

高溫擴散退火工藝最主要的兩個參數是加熱溫度和保溫時間，就加熱溫度而言，大多數文獻認為碳鋼應在1100～1200 ℃,合金鋼應在1200～1300 ℃范圍內，而各企業的生產規范及資料中對高溫擴散退火應在哪些火次中進行亦有不同看法，有的主張只在鋼錠開坯前使用，有的主張在大變形鍛造前后的加熱火次中均使用。

國內外學者已開始關注高溫擴散退火工藝，并進行了相應的研究工作[3-5]。文獻[6-7]針對鍛前高溫擴散退火工藝進行了大量試驗研究，系統地分析了高溫加熱對2.25Cr-1Mo-0.25V鋼錠合金元素均質化過程的影響，給出了樹枝晶等組織的演化過程，并揭示了高溫擴散退火對力學性能的影響規律。文獻[8]通過分析合金鋼錠中Cr元素在原始鑄態及高溫均質化后的偏析狀態，試圖建立該元素的擴散動力學模型，以探索鋼錠高溫擴散退火的基礎理論。

本文基于高中壓汽輪機轉子鍛件的生產工藝，通過試驗方法，研究不同高溫擴散退火工藝中30Cr1Mo1V鋼晶粒尺寸、組織、力學性能的演變，分析保溫時間、鍛造火次等工藝參數的影響規律，為該工藝的制定提供理論支撐。

1　試驗方案

30Cr1Mo1V鋼作為高中壓汽輪機轉子用材料，具有良好的工藝性能及高溫性能。試驗材料取自大氣澆注鋼錠，經檢測，其主要化學成分見表1。

表1　試驗用30Cr1Mo1V鋼的化學成分

根據某鍛造廠30Cr1Mo1V高中壓汽輪機轉子的生產規范，制定了試樣處理過程：鋼錠中取樣→鍛前高溫擴散退火→鍛造變形(拔長鍛比為3.0)→鍛后高溫擴散退火→熱處理→制樣→力學性能試驗。

高溫擴散退火的加熱溫度θ均為1250 ℃，保溫時間t分別為10 h、15 h、20 h、30 h。熱處理工藝過程如圖1所示。

圖1　試樣的熱處理工藝過程示意圖

2　高溫擴散退火前后晶粒組織的變化

(a)無高溫擴散退火

(b)1250 ℃下鍛后保溫30 h圖2　30Cr1Mo1V鋼不同高溫擴散退火后的晶粒

圖2為30Cr1Mo1V鋼不同高溫擴散退火處理后的晶粒組織照片，圖3為利用Image-Pro Plus定量金相分析軟件計算得到的不同高溫擴散退火工藝處理后晶粒尺寸分布圖，其中(A,B)表示鍛前高溫擴散退火保溫時間為A，鍛后高溫擴散退火保溫時間為B，下同。

由圖2a、圖3a可見，試驗用30Cr1Mo1V鋼若不進行高溫擴散退火，經鍛造、熱處理后晶粒均勻、細小，晶粒尺寸主要分布在10～40 μm范圍內。高溫擴散退火處理后，晶粒尺寸均有長大的趨勢。對比分析圖3a～圖3d可知，隨著保溫時間的延長，晶粒尺寸逐漸長大，且晶粒尺寸的不均勻程度增大。當鍛前、鍛后保溫時間均達到30 h時，晶粒尺寸主要分布在40～60 μm范圍內，甚至出現了尺寸達100 μm的粗大晶粒。

對比分析圖3a、圖3d、圖3e、圖3f可知，高溫擴散退火在不同加熱火次中進行，對晶粒尺寸亦有較大的影響。只在鍛前進行高溫擴散退火試樣與無高溫擴散退火試樣的晶粒尺寸分布較為接近，主要原因是熱變形中的動態再結晶等過程細化了晶粒，且鍛造后無高溫長時間保溫，熱處理后的晶粒尺寸較小；而由于圖3e所示試樣在鍛造前進行了30 h高溫擴散退火，其奧氏體晶粒尺寸長大，故最終得到的晶粒尺寸亦較大。若鍛后有高溫擴散退火，則熱變形細化后的晶粒尺寸在加熱過程中長大，熱處理后的晶粒尺寸亦較大，尤其是鍛造前后均進行30 h保溫的試樣，晶粒尺寸粗化較為嚴重。

(a)無高溫擴散退火(b)保溫時間(10 h,10 h)

(c)保溫時間(20 h,20 h)(d)保溫時間(30 h,30 h)

(e)保溫時間(30 h,0)(f)保溫時間(0,30 h)圖3　30Cr1Mo1V鋼不同高溫擴散退火工藝下晶粒尺寸分布圖

就晶粒尺寸而言，應注意控制鍛造后30Cr1Mo1V鋼的加熱保溫時間，防止熱處理后晶粒粗大。

3　高溫擴散退火對組織的影響

圖4為高溫擴散退火時1250 ℃下不同保溫時間的組織照片，該組織為回火索氏體+鐵素體。

無高溫擴散退火的試樣出現了交替相間的條帶組織[9]，這主要是枝晶偏析造成的。鋼錠凝固過程中，先后凝固區域的合金元素含量有較大區別，其中最后凝固的枝晶間區域合金元素濃度較高。鍛造過程中，該區域沿變形的方向拉長，形成了圖4a所示的條帶組織。白色塊狀鐵素體亦呈不均勻化分布，其中白亮區域為原鑄態組織中的一次、二次枝晶臂區域，合金元素含量較低，熱處理后出現了大量塊狀鐵素體，而黑色條帶區為原鑄態組織中的枝晶間區域，合金元素含量較高，未見大量塊狀鐵素體，索氏體組織均勻彌散[10]。

(a)無高溫擴散退火

(b)保溫時間(10 h,10 h)

(c)保溫時間(20 h,20 h)

(d)保溫時間(30 h,30 h)圖4　30Cr1Mo1V鋼在1250℃下不同保溫時間的組織

經過高溫擴散退火10 h后，枝晶偏析得到改善，合金元素分布趨于均勻，條帶組織消失，細小的碳化物均勻、彌散地分布在鐵素體基體上，較大的塊狀鐵素體減少，如圖4b所示。高溫擴散退火20 h后，隨著合金元素分布均勻程度的提高，碳化物分布均勻，塊狀鐵素體基本消失，組織為各向性能均良好的回火索氏體，如圖4c所示。而高溫擴散退火30 h后試樣出現了大量的條狀鐵素體，其分布具有明顯的方向性，如圖4d所示，主要原因是30Cr1Mo1V鋼的組織遺傳性較強，長時間保溫后的原奧氏體晶粒粗化，抑制了鐵素體形核，導致冷卻過程中可能出現粗大的貝氏體組織[11-12]。

圖5為30Cr1Mo1V鋼在1250 ℃下不同加熱火次進行高溫擴散退火的組織照片。由圖5可見，無論高溫擴散退火單獨在鍛前或鍛后進行，均未見條帶組織，合金元素分布較為均勻。只在鍛前保溫30 h的試樣組織分布均勻，碳化物彌散分布，與無高溫擴散退火試樣(圖4a)相比，鐵素體分布均勻。只在鍛后保溫30 h的試樣中出現了較粗大的條狀鐵素體，組織較圖5a明顯粗化，如圖5b所示，與圖4d所示鍛前、鍛后均進行30 h高溫擴散退火的組織相似。

(a)保溫時間(30 h,0)

(b)保溫時間(0,30 h)圖5　30Cr1Mo1V鋼在1250 ℃下不同加熱火次的組織

綜上所述，高溫擴散退火無論在30Cr1Mo1V鋼鍛前或鍛后進行，均可提高合金元素分布的均勻程度，消除鍛造產生的條帶組織。但是鍛后高溫下長時間加熱將導致晶粒尺寸長大，由于30Cr1Mo1V鋼的組織遺傳性較強，當晶粒尺寸過大時組織粗化嚴重，出現了大量具有方向性的鐵素體，將影響材料的力學性能。

4　高溫擴散退火對力學性能的影響

4.1高溫擴散退火對沖擊韌性的影響

圖6所示為30Cr1Mo1V鋼沖擊韌性隨高溫擴散退火保溫時間變化的關系。

由圖6a可見，與無高溫擴散退火的試樣相比，若僅在鍛前進行高溫擴散退火則可增大30Cr1Mo1V鋼的橫向沖擊功，而鍛后高溫擴散退火則有減小橫向沖擊功的趨勢。無論高溫擴散退火是在鍛前、鍛后或兩火次均進行，隨著保溫時間的延長，橫向沖擊功均減小。

(a)橫向沖擊功隨保溫時間的變化

(b)縱向沖擊功隨保溫時間的變化圖6　沖擊功隨保溫時間變化的關系

在1250 ℃下加熱時，鋼錠中的枝晶偏析將得到改善，合金元素分布均勻程度提高，且保溫時間越長，均勻化效果越顯著。但由前文可知，保溫時間越長，晶粒尺寸越大，橫向沖擊功越低。鍛前的高溫擴散退火對晶粒尺寸影響并不顯著，而合金元素均勻程度卻有較大提高，因此，鍛前高溫擴散退火可增大30Cr1Mo1V鋼的橫向沖擊功。若鍛造后有較長時間的高溫擴散退火，則晶粒長大的影響將超過合金元素均勻化的影響，減小30Cr1Mo1V鋼的橫向沖擊功，即晶粒尺寸對30Cr1Mo1V鋼的橫向沖擊功有著較大的影響。

由圖6b可見，隨著高溫擴散退火保溫時間的延長，30Cr1Mo1V鋼的縱向沖擊功大致呈增大的趨勢，即合金元素均勻化有利于增大30Cr1Mo1V鋼的縱向沖擊功。但是鍛前、鍛后均保溫30 h的試樣，由于其奧氏體晶粒較大，組織粗化，導致縱向沖擊功迅速減小，甚至接近30Cr1Mo1V鋼高中壓汽輪機轉子鍛件采購規范中要求的最低值8 J。4.2高溫擴散退火對塑性的影響

圖7所示為30Cr1Mo1V鋼斷面收縮率隨保溫時間變化的關系。由圖7可見，高溫擴散退火后試樣的橫向和縱向斷面收縮率均在70%左右，無明顯的增大和減小的趨勢，保溫時間的長短甚至有無均對熱處理后鍛件的斷面收縮率沒有明顯的影響，即高溫擴散退火對30Cr1Mo1V鋼塑性沒有顯著的影響。

(a)橫向斷面收縮率隨保溫時間的變化

(b)縱向斷面收縮率隨保溫時間的變化圖7　斷面收縮率隨保溫時間變化的關系

5　結論

(1)鍛前高溫擴散退火不僅可以提高合金元素的均勻程度，其形成的粗大晶粒還可通過鍛造過程來改善，熱處理后的晶粒尺寸較小；若在鍛后進行高溫長時間保溫，則晶粒粗大，對30Cr1Mo1V鋼的韌性影響明顯。

(2)鍛前或鍛后進行高溫擴散退火，均可消除30Cr1Mo1V鋼中因枝晶偏析與鍛造產生的條帶組織；但鍛后加熱會使晶粒尺寸過大，將導致組織粗化，影響力學性能。

(3)鍛前進行高溫擴散退火可提高30Cr1Mo1V鋼的橫向韌性，鍛后高溫擴散退火則有降低橫向韌性的趨勢，晶粒尺寸對30Cr1Mo1V鋼的橫向韌性影響顯著。奧氏體晶粒尺寸較小時，保溫時間的延長可提高30Cr1Mo1V鋼的縱向韌性。

(4)高溫擴散退火對30Cr1Mo1V鋼塑性沒有顯著影響。

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(編輯陳勇)

Experimental Research on High-temperature Diffusion Annealing Process of Steam Turbine Rotor Forgings

Liu Xingang1Chen Huan1Jin Miao1Wang Yuhui2Zhang Qinghua3

1.Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science (Yanshan University)，Ministry of Education of China，Qinhuangdao，Hebei，066004 2.National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling, Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei，066004 3.China National Erzhong Group Co.，Deyang，Sichuan，618000

Based on experiments, combined with the practical production of high pressure steam turbine rotor forgings, the variation of grain size, microstructure and mechanical properties in different holding times and forging fire times were studied, the influences of high-temperature diffusion annealing on 30Cr1Mo1V steel were revealed as well. The results show that the banded structure produced by dendritic segregation and forging deformation can be eliminated by high-temperature diffusion annealing. The grain size is smaller only before forging high-temperature diffusion annealing. The transverse toughness of the 30Cr1Mo1V steel can also be improved by homogenization. The grain and the structure are coarsened because of long time high temperature heating after forging, which leads to the worse toughness of the steel. Meanwhile, the plasticity of 30Cr1Mo1V steel is not influenced by the high-temperature diffusion annealing obviously.

30Cr1Mo1V；high-temperature diffusion annealing；microstructure；mechanical property

2013-08-16

國家自然科學基金資助項目(51005198)；河北省高等學校科學技術研究優秀青年基金資助項目(Y2012034)

TG316.2< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.01.016

劉鑫剛，男，1978年生。燕山大學機械工程學院副教授。主要研究方向為大型鍛件工藝及優化。陳歡，女，1988年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。金淼，男，1968年生。燕山大學機械工程學院教授、博士研究生導師。王玉輝，男，1978年生。燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心實驗師。張清華，男，1963年生。中國第二重型機械集團公司高級工程師。