12Cr12Mo馬氏體不銹鋼葉片斷裂原因分析

李艷軍 侯家緒 高秀娜 唐艷志

（1.潤電能源科學技術有限公司，河南 鄭州 450000；2.華潤電力（錫林郭勒）有限公司，內蒙古 錫林郭勒盟 026000）

高鉻馬氏體不銹鋼蠕變強度高，耐熱疲勞性能和抗高溫氧化性能好，近年來發展迅速，常用于制造蒸汽管道、壓力殼體、核電構件和汽輪機動靜葉片等［1-3］。這類鋼含鉻量較高，并含有W、Mo、V、Nb、Si等鐵素體穩定化元素，在冶煉和熱加工過程中可能會形成δ-鐵素體，從而降低鋼的高溫持久強度、沖擊韌性等性能［4-5］，但目前這方面的研究報道較少。本文對某電廠12Cr12Mo馬氏體不銹鋼葉片斷裂的原因進行了分析，研究了不同形態δ-鐵素體對馬氏體不銹鋼沖擊韌性的影響。

1 試驗材料與方法

某電廠汽輪機末三級葉片斷裂。試驗用1號葉片為斷裂葉片，2號葉片為完好葉片，為同一生產批次產品。采用FOUNDRY-MASTER PRO型直讀光譜儀分析試驗用葉片的化學成分，結果如表1所示，成分符合標準要求［6］。葉片的宏觀形貌如圖1所示，1號葉片裂紋位于出汽側附近的內弧面，裂紋擴展區面積較大且有密集的貝紋。從1、2號葉片不同部位（圖2）取樣進行金相檢驗和力學性能測定。

表1 葉片的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical composition of the blades（mass fraction） %

圖1 裝配的葉片Fig.1 Assembled blades

圖2 1號葉片橫截面低倍形貌Fig.2 Lower-magnification view of cross-section of the blade No.1

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織

從圖2所示的葉片3個部位取樣，采用Axiovert 40 MAT型金相顯微鏡進行金相檢驗，1號葉片組織均為回火馬氏體和δ-鐵素體，δ-鐵素體體積分數約為10%，部位1、2處δ-鐵素體均呈帶狀，部位3處呈塊狀，如圖3所示。δ-鐵素體的硬度比馬氏體低150 HB左右，它的存在會降低鋼的強度［7］，在軋制過程中沿軋制方向變形，因此可認為1號葉片中帶狀鐵素體主要是塊狀鐵素體沿軋制方向變形所致。2號葉片組織為回火馬氏體和少量δ-鐵素體，δ-鐵素體體積分數為1% ～2%，在葉片進汽側和出汽側均呈帶狀，如圖4中箭頭所示。GB/T 8732—2014《汽輪機葉片用鋼》規定，12Cr12Mo鋼中δ-鐵素體體積分數最多不得超過3%，1號葉片中δ-鐵素體含量超過要求范圍的上限。

圖3 圖2所示1號葉片部位1（a）、2（b）和3（c）的顯微組織Fig.3 Microstructures in positions 1（a），2（b）and 3（c）of the blade No.1 showed in Fig.2

圖4 2 號葉片部位1（a）、2（b）和3（c）的顯微組織Fig.4 Microstructures in positions 1（a），2（b）and 3（c）of the blade No.2

2.2 拉伸性能

采用UTM5305型微機控制電子萬能試驗機測定1、2號葉片的拉伸性能，拉伸試樣取自葉片中部和進汽側，檢測結果如表2所示。可見1、2號葉片拉伸性能均符合標準要求，1號葉片的抗拉強度較2號葉片約低50 MPa。

表2 葉片的拉伸性能Table 2 Tensile properties of the blades

2.3 沖擊性能

從葉片進汽側切取標準沖擊試樣，受部位限制，出汽側沖擊試樣為小尺寸試樣（5 mm×10 mm×55 mm）。沖擊試驗結果如表3所示，其中用小尺寸試樣檢測的結果已按相關標準轉換為標準沖擊吸收能量。1號葉片進汽側沖擊試驗結果符合標準要求，2號葉片進汽側僅有1個沖擊試樣符合要求，2個葉片出汽側試樣的沖擊吸收能量均低于要求值的下限。文獻［8-9］表明：12Cr12Mo鋼的沖擊吸收能量基本為90～160 J，可見1號葉片進汽側10%體積分數的塊狀δ-鐵素體并未顯著影響沖擊韌性，而10%體積分數的帶狀δ-鐵素體則使韌性下降約50%。

表3 葉片的沖擊吸收能量Table 3 Impact absorption energy of the blades

2.4 掃描電子顯微鏡及能譜分析

1號葉片斷裂發生在機組運行過程中，斷口已氧化。從葉片的部位1和3取樣，采用FEI Quanta650型掃描電子顯微鏡進行金相檢驗，如圖5所示。可見部位1的帶狀δ-鐵素體體積分數超過15%；部位3主要為準解理斷裂，局部有較深的撕裂縫隙，塊狀鐵素體區為穿晶斷裂，有一定的韌性斷裂特征（如圖5中箭頭所示）。對圖5中部位1馬氏體區和帶狀δ-鐵素體區分別進行能譜分析，結果表明，帶狀鐵素體區的Cr、Si含量明顯高于其他區域，如圖6和表4所示。有關文獻表明，馬氏體鋼中δ-鐵素體為富Cr區［10］，而Si是鐵素體形成元素，會促進馬氏體鋼中形成大量δ-鐵素體，以上結果符合馬氏體鋼中δ-鐵素體成分的基本特點。

圖5 1號葉片部位1（a）和3（b）的掃描電子顯微形貌Fig.5 Scanning electron micrographs of positions 1（a）and 3（b）in the blade No.1

3 分析與討論

金相和沖擊韌性檢驗結果表明：斷裂葉片即1號葉片中10%體積分數的塊狀δ-鐵素體對材料沖擊韌性無顯著影響，而10%體積分數的帶狀δ-鐵素體使沖擊韌性下降了約50%；2號葉片中帶狀δ-鐵素體體積分數雖然僅為1% ～2%，但其沖擊韌性也低于要求值的下限，說明很少量的帶狀δ-鐵素體就顯著影響材料的沖擊韌性。

δ-鐵素體為高溫相，鐵素體形成元素含量或軋制溫度控制不當均會導致制造過程中δ-鐵素體大量析出［11］。從能譜分析結果看，帶狀δ-鐵素體固溶有較多Cr、Si等元素，減弱了馬氏體不銹鋼的固溶強化和沉淀強化效果，使鋼的高溫持久強度和沖擊韌性下降［4，12］。目前，關于δ-鐵素體對鋼韌性影響的研究結果有差異。文獻［13-15］顯示，多邊形和針狀鐵素體均明顯降低含W型10%Cr（質量分數）超超臨界鋼的沖擊韌性，δ-鐵素體的存在會嚴重影響馬氏體鋼的沖擊性能。文獻［16］則表明，δ-鐵素體會降低鋼的強度但不會降低鋼的韌性，極低量δ-鐵素體甚至會提高某些鋼的韌性。有學者認為，δ-鐵素體含量是影響馬氏體鋼沖擊韌性的重要因素，10% ～20%體積分數的δ-鐵素體對鋼的韌性影響很小。

圖6 1號葉片馬氏體區（a）和帶狀鐵素體區（b）的能譜分析Fig.6 Energy spectrums of martensite area（a）and ferrite area（b）in the blade No.1

表4 1號葉片不同區域的化學成分（質量分數）Table 4 Chemical compositions of different areas in the blade No.1 （mass fraction） %

因此，不同形態的δ-鐵素體對馬氏體鋼韌性的影響有明顯差異，塊狀δ-鐵素體對12Cr12Mo馬氏體鋼韌性的影響不明顯，而帶狀δ-鐵素體會導致其韌性顯著降低。

4 結論

（1）馬氏體不銹鋼中很少量的帶狀δ-鐵素體就顯著影響鋼的沖擊韌性。

（2）10%體積分數的塊狀鐵素體對馬氏體鋼沖擊韌性的影響較小，而相同體積分數的帶狀鐵素體則使鋼的沖擊韌性降低約50%。

（3）斷裂葉片的熱處理工藝不當，導致帶狀δ-鐵素體含量遠高于要求值，使其韌性和持久強度降低，從而在運行中疲勞斷裂。