GX23CrMoV12-1鋼燃氣輪機鑄件熱處理工藝研究

馬正強，肖章玉，楊曉兵，劉顯有，林紹斌，李川，曾國成

二重（德陽）重型裝備有限公司 四川德陽 618013

1 序言

燃氣輪機是21世紀動力設備的核心，被譽為“工業皇冠上的明珠”。隨著國內燃氣輪機市場的發展，我公司先后為不同燃氣輪機發電機組制造商配套生產了日本三菱技術的透平缸、壓氣機缸鑄鋼件，其材料牌號分別為SCPH21（相當于ZG15Cr1Mo）、SCPH2（相當于ZG250-485[1]）；采用西門子技術的錐形體鑄鋼件，材料牌號為G17CrMoV5-10（相當于ZG15Cr1Mo1V）和G17CrMo5-5（相當于ZG15Cr1Mo）；采用GE技術的透平缸和壓氣機排汽缸等鑄鋼件，材料牌號為B50A178H（相當于ZG15Cr2Mo1）。

我公司首次生產的某新型燃氣輪機核心鑄件軸套和導流環，其采用在Cr12不銹鋼的基礎上研制而成的GX23CrMoV12-1耐熱鋼[2]制造，執行EN 10213—2007《承壓鑄鋼件技術條件》標準，與GB/T 16253—2019《承壓鋼鑄件》中的ZG23Cr12MoV鋼相當。由于該鋼種相關熱處理工藝與組織性能的研究報道較少，因此本文通過研究熱處理工藝對GX23CrMoV12-1耐熱鋼組織與力學性能的影響，同時結合產品的結構特點，制定合理的熱處理制度，順利完成鑄件的熱處理，確保其力學性能一次合格、熱處理變形可控、尺寸滿足加工要求。

2 試驗材料與方法

在制定產品的熱處理制度之前，首先進行材料的熱處理工藝參數驗證試驗。為了與鑄件的實際生產情況保持一致，試驗試樣沒有選用小試樣，而是采用隨件澆注的原始尺寸的鑄件附鑄試塊直接進行熱處理，熱處理完成后再將試塊分別加工成20mm×20mm×15mm的金相試樣、55mm×10mm×10mm的夏比V型缺口沖擊試樣、標距為50mm的拉伸試樣，進行組織和力學性能檢驗。產品的化學成分要求見表1，力學性能要求見表2。

表1 GX23CrMoV12-1鋼的化學成分（質量分數） （%）

表2 產品的力學性能要求

參考ZG23Cr12MoV鋼的熱處理工藝試驗結果和相關標準中的溫度規定等，確定試樣的淬火溫度為1040～1060℃。熱處理工藝試驗驗證主要以確定適合鑄件的淬火冷卻方式和回火溫度為目的，具體熱處理試驗方案見表3。

表3 熱處理工藝參數

3 試驗結果與分析

3.1 熱處理工藝試驗結果

試塊按表3進行熱處理后，先進行室溫力學性能檢測，再進行550℃的高溫拉伸試驗。不同淬火冷卻方式下，室溫強度、斷后伸長率、室溫沖擊與回火溫度的變化關系如圖1a～d所示，試塊風冷淬火后高溫強度、塑性與回火溫度的變化關系如圖1e～f所示。

圖1 淬火冷卻方式和回火溫度對GX23CrMoV12-1鋼力學性能的影響

從圖1a～d可以看出，試塊采用風冷淬火和油冷淬火后其強度基本相當，淬火冷卻速度對GX23CrMoV12-1鋼的強度影響較小；在720～750℃內回火，其室溫強度和沖擊吸收能量均能滿足標準要求，采用720℃回火后其強度較高，斷后伸長率勉強合格。隨著回火溫度的升高，其強度降低明顯，塑性和沖擊吸收能量明顯提升，試塊油冷淬火的沖擊吸收能量整體高于風冷淬火；從圖1e～f可以看出，試塊采用風冷淬火，在720～750℃內回火，其550℃下的屈服強度均滿足標準要求的290MPa，采用720℃回火后其屈服強度較高。隨著回火溫度的升高，其強度降低明顯，塑性有所提升。圖2a～b為試塊分別在風冷淬火和油冷淬火后，經過740℃回火后的顯微組織形貌可以看出，兩種淬火冷卻方式下，其組織均為回火馬氏體。

圖2 不同淬火冷卻方式下GX23CrMoV12-1鋼的顯微組織

3.2 產品熱處理制度確定

從材料熱處理工藝試驗結果看，GX23CrMoV12-1鋼風冷淬火和油冷淬火后在720～750℃內回火均能滿足標準要求的室溫力學性能，在730～750℃內回火均能滿足550℃高溫拉伸性能要求。同時結合產品自身特點：①軸套和導流環屬薄壁環形鑄件，在熱處理過程中發生馬氏體轉變，極易產生變形。②焊后去應力工藝評定，確定了GX23CrMoV12-1鋼的焊后去應力溫度為730℃（該溫度是一個較高的焊后去應力溫度[3]）。③風冷淬火比油冷淬火環保且周期短、成本低。因此，確定軸套和導流環的產品熱處理制度（見圖3）為1040～1060℃風冷淬火+730～750℃回火+730℃焊后去應力退火。

3.3 產品熱處理結果

軸套和導流環鑄件按圖3所示的工藝熱處理后，其力學性能一次合格、本體硬度（檢測位置見圖4）均勻，具體檢測結果見表4、表5。另外，產品熱處理變形小，加工余量完全滿足要求，隨后我公司采用該熱處理制度成功完成了多套軸套和導流環產品的熱處理，均達到了同樣的質量效果。

表4 產品最終熱處理后的力學性能

圖4 產品本體硬度測試位置

表5 產品本體硬度值 （HBW）

4 結束語

通過研究熱處理工藝對GX23CrMoV12-1鋼組織和力學性能的影響，并結合軸套和導流環鑄件薄壁易變形的特點和焊接工藝評定結果，制定了產品的熱處理制度：1040～1060℃風冷淬火+730～750℃回火+730℃去應力退火，不僅保證了產品的室溫力學性能和550℃下的高溫拉伸性能，同時也滿足了730℃下的焊后去應力要求。產品熱處理質量好，力學性能一次合格，本體硬度均勻且變形可控，熱處理方式環保、周期短、成本低。