焊接轉(zhuǎn)子用12%Cr 材料熱處理工藝研究

向沖， 梁剛， 王琨， 連漪， 田蜜洋， 鄭強(qiáng)

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川德陽， 618000）

1 背景

某單缸汽輪機(jī)采用轉(zhuǎn)子高中壓一體式轉(zhuǎn)子，由30Cr1Mo1V+30Cr2Ni4MoV 2 種合金材料組成，高壓段材料30Cr1Mo1V 最高使用溫度僅566 ℃，高溫蠕變強(qiáng)度已無法滿足進(jìn)汽溫度585 ℃的要求。現(xiàn)有轉(zhuǎn)子材料系列滿足高壓段工況要求的有12Cr鋼、 FB2 鋼， 中低壓段仍可選用30Cr2Ni4MoV。所以通過對(duì)12Cr+NiCrMoV 異種材料焊接技術(shù)研制， 可以解決這種蒸汽溫度超過566 ℃的兩缸單排氣的轉(zhuǎn)子難題。

1Cr10Mo1NiWVNbN 為典型12Cr 馬氏體耐熱鋼材料， 其是在1Cr13 馬氏體耐熱鋼基礎(chǔ)上發(fā)展的， 主要是通過添加W， Mo， V， Nb， B 和N 等合金元素來提高其高溫性能[1]，廣泛用作汽輪機(jī)的葉片， 轉(zhuǎn)子等部件， 同時(shí)該類轉(zhuǎn)子鋼主要依賴進(jìn)口， 其力學(xué)性能為評(píng)估轉(zhuǎn)子使用壽命的關(guān)鍵[2]。 目前行業(yè)內(nèi)在12Cr 轉(zhuǎn)子的異種鋼焊接已有較多研究， 但針對(duì)熱處理制度對(duì)母材性能的影響尚無完整數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

由于焊接轉(zhuǎn)子焊后熱處理溫度必須兼顧兩端材質(zhì)力學(xué)性能， 即須考慮熱處理最終回火溫度，而針對(duì)1Cr10Mo1NiWVNbN 材料并無完整的不同回火溫度性能數(shù)據(jù)， 所以有必要進(jìn)行試驗(yàn)研究該材料淬火后不同回火溫度后的力學(xué)性能變化， 為焊接轉(zhuǎn)子最終去應(yīng)力回火提供數(shù)據(jù)支持。 同時(shí)針對(duì)熱處理溫度進(jìn)行調(diào)整， 摸索該材料力學(xué)性能的變化， 得出規(guī)律， 為后續(xù)產(chǎn)品提供技術(shù)支持。

3 試驗(yàn)方法

首先采用JmatPro 對(duì)1Cr10Mo1NiWVNbN 平衡相圖（見圖1） 進(jìn)行模擬， 得出淬火溫度。

圖1 1Cr10Mo1NiWVNbN 平衡相圖

從結(jié)果可知： 1Cr10Mo1NiWVNbN 材料完全奧氏體區(qū)溫度1 000～1 100 ℃，同時(shí)為避免800～1 000℃區(qū)間M23C6析出， 完全奧氏體化后， 冷卻應(yīng)快速通過此區(qū)間。 參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的熱處理參數(shù)，其與模擬的完全奧氏體溫度也較為吻合， 具體見表1， 熱處理后力學(xué)性能見表2。

表1 熱處理參數(shù)

表2 力學(xué)性能要求

3.1 不同淬火溫度試驗(yàn)

選取由鍛件本體切取的試驗(yàn)環(huán)分割成150 mm×100 mm×40 mm 的試樣， 資料顯示該材料熱處理前硬度在220 HB 左右， 結(jié)合材料標(biāo)準(zhǔn)和JmatPro 分析結(jié)果，選取1 100 ℃，1 075 ℃，1 050 ℃3 個(gè)溫度段進(jìn)行淬火， 分別保溫75 min， 回火660℃×240 min 進(jìn)行試驗(yàn)， 試驗(yàn)參數(shù)見表3。

表3 不同淬火溫度試驗(yàn)

3.1.1 力學(xué)性能

淬火試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。 不同淬火溫度的硬度對(duì)比見表4。

表4 硬度結(jié)果

圖2 力學(xué)性能數(shù)據(jù)

從上述力學(xué)性能指標(biāo)可知， 隨淬火溫度升高，（1）強(qiáng)度、 硬度先升后降， 1 075 ℃強(qiáng)度最優(yōu)， 但均能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求； （2）塑性即延伸率及斷面收縮率逐漸升高， 但均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求； （3）沖擊值先降后升；（4）韌脆轉(zhuǎn)變溫度呈先降后升， 1 075 ℃最優(yōu)。

經(jīng)過對(duì)取樣的研究分析，可以判斷鮞粒的形成過程為：有一粒灰?guī)r碎屑，在海水中不斷懸浮沉降，形成多層同心層，成為真鮞。其后由于粒度變大，懸浮較困難，碰撞、摩擦相應(yīng)變少，有微生物開始附著生長(zhǎng)，在周期性的潮汐作用下，不斷滾動(dòng)生長(zhǎng)。但是某些環(huán)境因素的改變，導(dǎo)致微生物逐漸消亡。在鮞粒的最后生長(zhǎng)階段，形成的鮞層與膠結(jié)物無異。最后，由于泥質(zhì)的加入形成一層光滑的泥質(zhì)薄膜，終止了鮞粒的生長(zhǎng)，最終形成巨型鮞粒。鮞粒形成的環(huán)境始終是動(dòng)水環(huán)境。

3.1.2 金相組織分析

12Cr 不同淬火溫度的金相組織及晶粒度見表5 和圖3。

表5 12Cr 不同淬火溫度金相組織及晶粒度

圖3 金相組織

從上述數(shù)據(jù)可知：

隨淬火溫度的提高， 晶粒度有長(zhǎng)大的趨勢(shì)，從5 級(jí)降至3 級(jí)。

根據(jù)JmatPro 分析結(jié)果， 并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果， 隨著淬火溫度的升高， 力學(xué)性能有線性變化， 主要是因?yàn)榇慊饻囟仍礁撸?Cr、 Nb、 V 元素溶解后再析出越明顯， 當(dāng)淬火為1 075 ℃， 析出最佳， 即綜合強(qiáng)度， 塑性， 韌性等綜合性能最優(yōu)， 1 050 ℃淬火時(shí)， 碳化物強(qiáng)化作用不明顯， 同時(shí)1 100 ℃淬火時(shí)， 奧氏體晶粒已有長(zhǎng)大的趨勢(shì)， 導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降。

3.2 不同溫度二次回火試驗(yàn)

同樣選取由鍛件本體切取的試驗(yàn)環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)，先分割成150 mm×100 mm×40 mm 的試樣。 按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定， 對(duì)該批試樣進(jìn)行1 075 ℃×90 min 淬火+570 ℃×240 min 一次回火， 再分不同溫度段進(jìn)行二次回火， 具體溫度參數(shù)見表6。

表6 二次回火溫度試驗(yàn)

3.2.1 力學(xué)性能

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求， 對(duì)不同二次回火溫度的試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試， 試驗(yàn)結(jié)果見圖4 和表7。

圖4 力學(xué)性能數(shù)據(jù)

表7 硬度結(jié)果

經(jīng)過調(diào)質(zhì)后， 材料硬度強(qiáng)度提高明顯； 隨二次回火溫度升高， 強(qiáng)度線性降低， 塑性即延伸率及端面收縮率變化不明顯， 但均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；隨回火溫度升高， 沖擊值增加明顯， 700 ℃回火后， 沖擊平均值已達(dá)到110 J 左右， 韌脆轉(zhuǎn)變溫度呈下降趨勢(shì)， 由曲線可知， 在660 ℃以下二次回火， 韌脆轉(zhuǎn)變溫度已高于0 ℃。

3.2.2 金相組織分析

12Cr 不同溫度金相組織及晶粒度見表8 和圖5。

圖5 金相組織

表8 12Cr 不同溫度段金相組織及晶粒度

從上述數(shù)據(jù)可知：

二次回火后的組織為回火索氏體組織， 隨二次回火的升高， 晶粒度變化不明顯， 均為4～6 級(jí)。

1Cr10Mo1NiWVNbN 淬火后為馬氏體組織， 硬度大幅度提高， 該過程Cr、 Nb、 V 合金元素固溶于馬氏體基體， 但淬火態(tài)的馬氏體組織不穩(wěn)定，回火后馬氏體組織分解， 轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的回火索氏體組織， 強(qiáng)度、 硬度相對(duì)淬火態(tài)有所降低， 但含Cr、 Nb、 V 元素的碳化大量析出于晶界， 使強(qiáng)度、硬度進(jìn)一步提高， 同時(shí)回火后組織更加穩(wěn)定， 熱應(yīng)力得到一定程度的消除。

隨著回火溫度的升高， 強(qiáng)度、 硬度升高， 塑性降低， 經(jīng)分析應(yīng)為Cr、 Nb、 V 碳化物粗化所致。同時(shí)根據(jù)FATT50 的結(jié)果可知， 隨著回火溫度的升高， 韌脆轉(zhuǎn)變溫度逐漸降低， 強(qiáng)度硬度降低。

1Cr10Mo1NiWVNbN 淬火后在該溫度區(qū)回火，回火索氏體基體組織穩(wěn)定， 未達(dá)到該材料的臨界轉(zhuǎn)化溫度， 基體晶粒也不會(huì)長(zhǎng)大， 從而保證了該回火溫度段， 力學(xué)性能不會(huì)大幅降低。

4 結(jié)論

（1）該材料經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度調(diào)質(zhì)后， 硬度強(qiáng)度提高明顯， 塑性， 韌性均滿足要求。

（2）隨淬火升高， 強(qiáng)度， 硬度先升高后降低，1 075 ℃強(qiáng)度最優(yōu)， 塑性即延伸率及斷面收縮率逐漸升高， 沖擊值先降低后升高， 韌脆轉(zhuǎn)變溫度呈先降低后升高， 1 075 ℃最優(yōu)， 晶粒有長(zhǎng)大的趨勢(shì)， 但均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）隨二次回火升高（580～700 ℃）， 12Cr 材料強(qiáng)度明顯降低， 塑性變化不明顯， 沖擊顯著提高，韌脆轉(zhuǎn)變溫度逐漸降低， 當(dāng)溫度低于660 ℃時(shí)，該指標(biāo)已高于0 ℃。 12Cr 材料金相組織及晶粒度變化不大， 組織均為回火索氏體， 晶粒度4～6 級(jí)，但總體均滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。