鍛造對汽輪機葉片鋼力學性能的影響

徐永鋒，高振桓，楊明，劉禹炯，范華，楊功顯

（東方汽輪機有限公司 長壽命高溫材料國家重點實驗室，四川 德陽， 618000）

鍛造對汽輪機葉片鋼力學性能的影響

徐永鋒，高振桓，楊明，劉禹炯，范華，楊功顯

（東方汽輪機有限公司 長壽命高溫材料國家重點實驗室，四川 德陽， 618000）

通過對汽輪機葉片鋼1Cr12Ni3Mo2VNbN的原鋼錠及其經鍛造后的葉片進行性能熱處理，以制取兩種狀態的試樣，系統研究了鍛造歷史對示波沖擊、低周疲勞、疲勞裂紋擴展速率、斷裂韌性的影響。結果表明，材料經鍛造后，總的沖擊功不變，但裂紋形成功隨之增大，構件的安全性增加，疲勞性能得到改善，ΔKIC值降低0.8%，疲勞裂紋擴展速率明顯緩慢，J積分值大幅度增大，J積分較KIC有更好的適用性。

葉片，鍛造，示波沖擊，疲勞，斷裂韌性，J積分

Abstract：The performance of the turbine blades of the original steel ingot 1Cr12Ni3Mo2VNbN and its forged was treated by heat treatment to prepare the sample under two states,The influence of forging history on instrumented impact,low-cycle fatigue,fatigue crack growth rate and fracture toughness were investigated systematically.The results showed that the total impact energy remained constant,and the crack imitiation energy increased,the safety of the components increased,fatigue performance was improved,the value of ΔKICdecreased by 0.8%,the fatigue crack growth rate was significantly slower,J integral value substantially increased,J was more applicability than KIC.

Key words：blade,forging,instrumented impact,fatigue,fracture toughness,J integral

0 引言

隨著能源日趨緊張和環保要求日益提高，國家調整電源結構的一大方向是發展大容量、高參數、高效率、低資源消耗的火力發電機組。采用更高參數的超超臨界汽輪機對經濟性的改善程度與機組容量的大小密切相關。為提高發電效率，機組容量增大。這樣，汽輪機末級葉片也越來越大，而葉片承受復雜的應力，這對末級葉片的性能要求也越來越高，葉片材料合金化程度也越來越高[1-2]。1Cr12Ni3Mo2VNbN就是為適應這種要求而出現的一種新型汽輪機末級葉片材料，用于制造火電或核電汽輪機末級大葉片[3-4]。

鍛造對材料，尤其是對大型鍛件的作用見文獻[5-6]，汽輪機葉片常常以疲勞方式失效[7-9]。本文研究的葉片材料的鍛造性能已做了研究[3-4]，但鍛造對該材料的力學性能尚未研究，一般研究方式是，制備鋼錠，然后直接進行性能熱處理，最后取樣以評價力學性能，這顯然不符合葉片的實際應用狀況，實際情況是原鋼錠要經鍛造成型，再制造成葉片。用未經鍛造的原材料評價葉片本身的性能，是否科學合理，鍛造歷史對葉片材料的力學性能會產生怎樣的影響，這些問題還一直未見報道。

為了掌握鍛造對葉片材料力學性能的影響，本文通過同時對鍛造后的成型葉片和原鋼錠進行性能熱處理，對鋼錠試樣和葉片試樣進行力學性能試驗，以全面評價鍛造對材料的示波沖擊、低周疲勞、斷裂韌性、裂紋擴展速率等力學性能的影響，為企業高效利用該材料提供技術支撐。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料與試樣

實驗用1Cr12Ni3Mo2VNbN 為商用葉片材料，化學成分（wt， %）為 0.12C， 12Cr， 2.7Ni， 2.4Mo，0.4V，0.1Nb，0.05N，0.06Cu，Fe余量。原材料由鋼廠冶煉后熱加工為φ250 mm的鋼棒，經一定鍛造工藝，制造成汽輪機末級長葉片毛坯，長葉片與同批次鋼錠同時經過性能熱處理，其熱處理工藝為，1 050℃淬火，油冷，570℃回火，保溫8 h空冷。其顯微組織為均勻的馬氏體組織，平均晶粒尺寸無明顯差別。所有試樣分別取自鋼錠和葉片。這樣，葉片試樣比鋼錠試樣多經歷了一次鍛造工序，以此來研究鍛造歷史對材料力學性能的影響。兩種試樣的室溫拉伸性能見表1。

表1 室溫拉伸性能

1.2 實驗方法

示波沖擊試驗依據GB 229進行，在示波沖擊試驗機進行三點彎曲沖擊試驗，擺錘刀口沖擊試樣的速度為5 m/s，采集載荷-位移曲線，用割線法確定動態屈服載荷Fyd，最大載荷Fmax，通過曲線下的面積，求出彈性變形功We，塑性變形功Wd以及裂紋擴展功Wp等參量。

根據GB/T 15248在Instron 1342電液伺服疲勞試驗機上進行低周疲勞試驗。試驗在室溫下通過控制應變，采取三角波型，應變比R=-1，實驗室大氣環境，頻率f=1 Hz。疲勞試樣長70 mm，標距10 mm，試樣標距部分直徑6 mm。

疲勞裂紋擴展速率及門檻值ΔKth根據GB/T 6398進行。應力比R=0.1，采用正弦波；實驗室大氣環境，頻率f=100 Hz。疲勞試樣采用標準CT試樣，厚度B=10 mm，寬度W=50 mm。疲勞裂紋擴展速率的試驗頻率f=50～80 Hz，載荷比R=0.1，試驗溫度為25℃。裂紋長度采用視頻工具顯微鏡法測量，裂紋長度與循環周次數據用多項式擬合以確定疲勞裂紋擴展速率da/dn。

斷裂韌度試驗按國家標準GB/T 21143進行。斷裂韌度采用三點彎曲試樣，厚度B=15 mm，寬度W=30 mm，長140 mm。預制疲勞裂紋在Amsler HFP5100高頻疲勞試驗機上進行，預制裂紋長度 a0在 0.45～0.7 W。三點彎曲試驗在 INSTRON1195試驗機上進行，加載速率為0.1 mm/min，記錄載荷-施力點位移曲線。試驗采用三點彎曲多試樣法測定材料的J積分值。

對于三點彎曲試樣，J按式（1）來計算。

鈍化線由式（2）確定。

斷裂韌度 Jc（B）、 Ju（B）或 Juc（B）的確定， 按國家標準規定直接計算 J積分值（Jc（B）、Ju（B）或Juc（B）），斷裂韌度J積分值對尺寸敏感，與試樣厚度直接相關，試樣厚度以mm為單位在斷裂韌度符號的右下標括號中注明：當△a＜0.2 mm鈍化偏置線出現非穩定裂紋擴展時的尺寸敏感斷裂抗力J積分值，記為Jc（B），B為試樣厚度；當△a≥0.2 mm鈍化偏置線出現非穩定裂紋擴展時的尺寸敏感斷裂抗力J積分值，記為Ju（B）；當穩定裂紋擴展無法測量時，非穩定裂紋擴展時的尺寸敏感斷裂抗力J積分值，記為Juc（B）。

2 實驗結果與分析

2.1 沖擊斷裂行為

為研究鍛造對沖擊斷裂的影響，本文給出1Cr12Ni3Mo2VNbN材料兩種試樣在室溫下Charpy沖擊吸收能量Wt值，如表2所示，示波沖擊 （載荷－位移）曲線見圖1。示波沖擊曲線所代表各個物理量的含義見表2。Fgy為屈服載荷，Fm為最大載荷。鋼的韌脆性與材料的裂紋萌生功、擴展功以及吸收的總能量有關，鋼的沖擊斷裂過程包括裂紋的形成和擴展階段[10-13]，彈性變形功We；彈塑性變形功Wd；最大力之前所消耗的能量為裂紋形成（裂紋萌生）能量Wi，Wi=We+Wd； 最大力之后所消耗的能量為裂紋擴展能量Wp；沖擊吸收能量Wt=Wi+Wp。

圖1 示波沖擊曲線

表2 示波沖擊實驗結果

由表2可見，材料經鍛造后，沖擊屈服載荷和最大載荷都有所增加。對于不同材料或同種材料的不同狀態，其沖擊功Wt可能相等，但是它們的彈性變形功We、塑性變形功Wd及裂紋擴展功Wp所占的比例相差可能很大，從而表現出它們之間的韌脆性不同[10-13]。通過表2數據可以看出，兩類試樣總的沖擊功沒有明顯變化，但是，材料經鍛造后，彈性變形功提高了108%，使得裂紋形成功Wi大大高于未經鍛造的試樣，而裂紋形成功Wi反映了裂紋形成的難易和快慢,從安全可靠角度分析,實際葉片材料希望裂紋形成功越大越好，使形成裂紋之前消耗能量增加的越多越好，這樣對增加構件的安全性非常有利。所以，鍛造歷史可以提高材料的裂紋形成功，大大增加構件的安全性。

葉片樣的裂紋擴展功Wp較鋼錠樣的低一些，表明葉片樣阻止裂紋擴展的能力稍差，裂紋一旦形成，葉片樣中的裂紋擴展要快一些。但是，從圖1可見，兩類試樣裂紋擴展階段的相應沖擊曲線表現出較一致的斜率，并且裂紋非穩態擴展功都非常小，表明兩類材料在裂紋擴展平穩，直至完全斷裂。

2.2 應變疲勞壽命

對于總應變控制的低周疲勞實驗，材料的應變疲勞壽命數據常采用Coffin－Manson公式來表征[14]：

式中 Δεt/2、 Δεe/2、 Δεp/2分別表示總應變幅、 彈性應變幅、塑性應變幅，2Nf為發生失效時的載荷反向次數，σ'f為疲勞強度系數，b為疲勞強度指數，ε'f為疲勞延性系數，c為疲勞延性指數，E為楊氏模量。

Δεe/2－2Nf和 Δεp/2－2Nf關系曲線見圖 2（a）、（b）， Δεe/2和 Δεp/2由半壽命時的應力－應變回線計算獲得。根據式（3）和（4）用線性回歸分析方法可對材料的應變－壽命數據進行分析，進而確定出與低周應變疲勞有關的各個參量的數值，結果見表3。由圖2可以確定材料的過渡疲勞壽命NT，其數值見表 3。圖 2（c）、（d）分別為鋼錠樣和葉片樣材料在室溫時的循環應力-應變曲線。

圖 2 Δε-2Nf關系曲線（a～b）和循環應力－塑性應變曲線（c～d）

表 3 中 σ'f/E 和 b 為按 lg（Δεe/2）-lg（2Nf）曲線計算出的疲勞強度系數和疲勞強度指數。按lg（Δσ/2）-lg（2Nf）曲線計算，則鋼錠樣室溫疲勞強度系數σ'f為 1 706．4 MPa， 疲勞強度指數 b 為-0．063 8； 葉片樣材料室溫時疲勞強度系數σ'f為1 991．4 MPa， 疲勞強度指數 b 為-0．084 2。 不論怎樣，葉片樣的強度系數高于鋼錠樣的系數。

表3 材料的應變疲勞參數

這樣，鋼錠樣和葉片樣室溫時的應變-壽命方程可表示為：Δεt/2=0．009 41×（2Nf）-0．0782+0．574×（2Nf）-0．742（6）Δεt/2=0．011 1×（2Nf）-0．0977+0．850×（2Nf）-0．810（7）

從鋼錠樣和葉片樣材料室溫下的應變-壽命曲線可見，兩者的低周疲勞壽命差別不大。在應變幅較低的長壽命范圍（Δεt/2＜0．6%）， 在相同應變幅下，強度較高的鋼錠樣的壽命較長。

2.3 疲勞裂紋擴展速率

表4為室溫下鋼錠樣和葉片樣兩種試樣疲勞裂紋擴展門檻值ΔKth。

表4 1Cr12Ni3Mo2VNbN材料的疲勞裂紋擴展門檻值

圖3（a）、（b）分別為鋼錠樣和葉片樣試樣在室溫時的疲勞裂紋擴展曲線，曲線的回歸方程為：

圖3 疲勞裂紋擴展曲線

ΔKIC一般隨強度的升高而降低[14]，由表1所見，葉片經鍛造后屈服強度下降了16．5%，表4表明經鍛造后，ΔKIC約降低了0．8%。比較方程（8）和 （9）可以得出，經鍛造后，葉片樣裂紋擴展速率明顯比鋼錠樣的要緩慢得多。

2.4 斷裂韌度

圖4為三點彎曲試驗時典型的力 （F）-施力位移（q）曲線。Up在一定程度上反映了試樣在裂紋穩定擴展時塑性變形所吸收的能量，所以同種材料在同一試驗溫度下，施力位移越大，也即變形越大，Up就越大。表5為鋼錠樣及葉片樣的J積分試驗數據。

圖4 力-位移曲線

圖 5 J-Δa曲線

表5 鋼錠樣及葉片樣的J積分試驗結果

圖5（a～b）分別是鋼錠樣和葉片樣在室溫時的J-Δa曲線。將兩種狀態材料的阻力曲線進行冥乘擬合，根據擬合曲線，得出J與Δa的關系表達式。

表6分別是鋼錠樣和葉片樣在不同試驗溫度下擬合曲線的方程及J值（J0.2BL、JUC等）。鋼錠樣在室溫下加載時，多個試樣發生失穩擴展，所以在R曲線上合格的數據點只有4個，而葉片樣室溫加載時僅3個試樣有穩定裂紋擴展，不能測出JΔa曲線，用發生失穩裂紋擴展的4個試樣直接計算 JUC（B）值。

將J0.2BL值或JUC值按式（10）轉換成KI值：

室溫下選用材料的最小JUC值， E和ν按國家標準中的推薦值，表6給出由J值換算的KIC值，

表6 擬合曲線和J值

從表6可見，兩種狀態的材料均具有較高的斷裂韌度值，材料經過鍛造后，斷裂韌性值J增大，J0.2BL和JUC分別增大34%和36.5%，很顯然，如果在葉片設計過程中，采用鋼錠樣的J值，就很保守，造成很大的浪費。

比較式（10）換算后的KIC，葉片樣的KIC值增大16.5%，KIC表征的是一旦起裂紋，立即達到失穩狀態，而本文研究表明，裂紋萌生后進入穩定擴展階段，失穩擴張比例極小。J積分討論的是裂紋即將擴展而尚未擴展階段，前文沖擊斷裂行為研究表明，葉片材料在裂紋萌生過程，裂紋形成功Wi中彈性變形功比例相當大，裂紋在彈塑性階段萌生消耗大量能量。所以，對于本文研究的1Cr12Ni3Mo2VNbN葉片材料，J積分較KIC有更好的適用性。

3 結論

（1）材料經鍛造后，屈服載荷和最大載荷增大，總的沖擊功不變，但彈性變形功增大一倍，裂紋形成功隨之增大，增加了構件的安全性；

（2）材料鍛造前后的應變-壽命方程分別為Δεt/2=0.009 41×（2Nf）-0.0782+0.574×（2Nf）-0.742和 Δεt/2=0.011 1×（2Nf）-0.0977+0.850×（2Nf）-0.810；

（3）鍛造使材料的屈服強度下降16.5%，ΔKIC值降低0.8%，疲勞裂紋擴展速率明顯緩慢，鍛造前后裂紋擴展速率方程分別為da/dn=8.815×10-9（ΔK）3.016和 da/dn=8.366×10-9（ΔK）2.980；

（4）鍛造使斷裂韌性值 J0.2BL和 JUC分別增大34%和36.5%，J積分較KIC有更好的適用性。

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Influence of Forging on Mechanical Properties of Turbine Blade Steel

Xu Yongfeng， Gao Zhenhuan， Yang Ming， Liu Yujiong， Fan Hua， Yang Gongxian
（State Key Laboratory of Long-life High Temperature Materials,Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)

TG113

A

1674-9987（2017）03-0042-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.03.010

徐永鋒 (1977－),男,工程師，主要從事長壽命高溫材料的研究工作。