工業汽輪機轉子鍛件用28CrMoNiV的微觀組織調控與沖擊韌性研究

周黎明，巨 佳，葉常暉，費海良，葉 偉

工程中的金屬材料，除去粉末冶金法制成的特殊金屬制品外，幾乎所有的金屬制品都必須經過金屬的熔煉和凝固過程。通過熔煉，得到要求成分的液態金屬，澆注在鑄錠中，凝固后獲得鑄錠或成型的鑄件，鑄錠再經過冷熱加工變形從而制成各種型材或鍛件。熔煉的基本目的是制造出化學成分符合要求，并且熔體純潔度高的合金熔液，為鑄成各種形狀的鑄錠創造有利條件。無論是成型鑄件，還是鑄錠經變形后得到的各種型材或鍛件，其性能都受到鑄件或鑄錠凝固組織的決定性影響，鑄錠的凝固組織也影響到其熱變形性能，不合理的鑄錠組織會引起熱變形中的開裂,降低成材率。熱加工可改善鑄錠組織和性能，但鑄造中的宏觀缺陷（如宏觀偏析、非金屬夾雜、縮孔、裂紋等）仍將殘留于制品中，給制品性能帶來很大影響。

工程中材料的機構破壞或失效都是由于強度不足引起的。隨著對設備或結構性能要求的提高，其工況、載荷及環境條件越來越苛刻，涉及到的強度問題也越來越復雜。材料強度是表征材料承載能力的力學性能指標，通常與塑性、韌性是相互矛盾的，強度高則塑性、韌性低。零件如果存在塑性、韌性有余而強度不夠，則壽命不高，若適當降低塑性、韌性而提高強度，則零件壽命大幅度提高。但也不能認為強度越高越好，強度越高，零件的塑性、韌性越低，其疲勞壽命反而降低。因此合理的強韌性配合，是零件使用壽命長短的關鍵。

我國是汽輪機強國，但我國生產的汽輪機關鍵配件與國際先進水平仍有差距，現階段主要靠進口關鍵配件材料來解決這一問題。隨著我國汽輪機行業的發展，很有必要通過自主研發，打斷國外壟斷，實現關鍵材料的國產化。本文通過28CrMoNiV的微觀組織調控與沖擊韌性的研究，觀察鍛鋼的微觀組織來分析其沖擊性能及斷裂機理，為其在復雜溫度下的塑韌性優化設計提供理論和技術支持，為汽輪機轉子鍛件的工藝設計與調整提出理論依據。

1 試驗材料與方法

本文的試驗材料為工業汽輪機轉子用28CrNiMoV鋼。鍛鋼鋼錠經切割加工后采用鍛件預備熱處理在臺式爐上進行，采用正火+回火形式，調質熱處理在井式爐內進行，通過淬火+高溫回火的形式。

1.1 熱處理工藝

1.1.1 正火工藝

正火溫度一般為Ac3以上30℃～50℃，正火主要目的是細化組織。根據試驗得最優化工藝，溫度為900℃，保溫時間計算參照淬火工藝規程，正火后一般采用空冷。

1.1.2 淬火工藝

淬火溫度為Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）以上溫度，保溫一段時間，使之全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷速的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等溫）進行馬氏體或貝氏體轉變的熱處理工藝。

因為23CrNiMoV的奧氏體化溫度約為850℃，故淬火溫度在880℃～900℃之間。根據試驗得最優化工藝，淬火溫度為900℃。淬火液為水，淬火方式為單液淬火。

1.1.3 回火工藝

回火：將工件淬硬后，再加熱到Ac1點以下的某溫度并對工件進行保溫，保溫后將工件冷卻到室溫的熱處理工藝。回火的目的：降低工件強度和強度，提高工件延性或韌性，消除內應力，提高組織穩定性。本實驗熱處理為調制處理，故選用高溫回火，空冷。

方案一熱處理成品樣熱處理工藝為：900℃正火2h空冷，900℃淬火2h水冷，650℃回火3.5h～4h空冷。方案二為優化后的熱處理工藝：900℃正火60min空冷，900℃淬火50min水冷，620℃回火100min空冷。金相組織觀察采用方案二的熱處理流程。

1.2 組織觀察與性能

（1）組織觀察：試樣的微觀組織采用IE200M 型金相顯微鏡和JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡觀察。

（2）性能測試：拉伸試驗可以測定強度和塑性。本次試驗主要測試材料抗拉強度（σb）、斷面收縮率（Ψ）和斷后伸長率（δ）。抗拉強度為材料在斷裂前達到的最大應力值，即材料的實際承載能力。斷面收縮率和斷后伸長率是材料的塑性指標。拉伸試驗試樣根據標準試樣進行加工。對于常溫拉伸試樣，只對相應數據進行改變，原始直徑D0制成5.0mm，試樣標距按相關標準為直徑的5倍，即為25mm。而對于高溫拉伸試驗，直徑為6.0mm，原始標距為30mm。按GB229-76在拉伸試驗機上進行。拉伸速率約為2mm/s。緩慢均勻地加載，注意觀察縮頸現象。應考慮到實際工況，本實驗還進行了高溫拉伸性能的測試，采用附帶的加熱系統，將溫度設定為500℃。

采用JBW-300H型儀器化沖擊試驗機對試驗樣品進行沖擊性能測試。試驗溫度從室溫到-60℃，共取5個溫度點。使用DWC-60沖擊實驗低溫槽，調控試樣溫度。在規定的試驗溫度下，試樣要保持足夠時間進行冷卻。由于試樣從冷卻介質中取出到沖擊有時間間隔，為保證沖擊時試樣溫度在預定溫度內，應在5s中之內打斷試樣，并通過將試樣過冷的方式，來補償試樣溫度損失。為減小各種原因帶來的數據誤差，在每個溫度點都選擇3支～4支試樣進行沖擊，最后取平均值作為此溫度的沖擊功。

2 分析與討論

2.1 工業汽輪機轉子用鍛鋼的微觀組織觀察與分析

2.1.1 工業汽輪機轉子用鍛鋼的微觀組織觀察

本論文所采用的原材料為28CrNiMoV高強度耐熱鋼，鍛鋼的微觀組織為大量的羽毛狀束狀分布的貝氏體組織，此外，還有少量極細小的碳化物顆粒存在于基體相中。

從提高工業汽輪機轉子用鍛鋼性能的角度出發，本論文對28CrNiMoV高強度耐熱鋼鍛造后的熱處理工序進行了優化。可以明顯看出正火后鍛鋼的微觀組織主要為鐵素體，細小顆粒狀貝氏體碳化物在鐵素體內部均勻分布，這說明28CrNiMoV鍛鋼在正火后出現了明顯的偏析現象。淬火后試樣的微觀組織中可以觀察到較多的板條狀馬氏體組織，同時還觀察到少量殘余奧氏體。其中馬氏體板條形態正常，無明顯粗大板條。圖3.1e和3.1f為620℃回火100min后試樣的微觀組織。可以從圖中明顯的看到淬火后產生的板條馬氏體幾乎全部消失，在鐵素體基體上有大量碳化物析出并呈均勻彌散分布。析出的大量細顆粒狀碳化物組織由其形貌判斷應該為回火索氏體。

2.1.2 晶粒度評級

將方案一成品樣，經過拋光和腐蝕晶界后，根據GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測定法》，對于100倍下觀察到的金相照片，按照圖中的標尺進行晶粒尺寸的計算，對照相應的晶粒度標準表格，測定其晶粒度等級為7級，并且發現部分晶粒極其細小，這是由于23CrNiMoV鋼在熱處理時，晶界附近會產生細小碳化物，會阻礙晶粒的長大，使晶粒細化，從而材料擁有更好的綜合性能。因此，本次實驗所用的材料晶粒度等級完全符合要求，其他實驗數據合理性得到保證。

2.2 工業汽輪機轉子用鍛鋼的力學性能測試與分析

2.2.1 力學性能測試與分析

拉伸樣為經方案一熱處理后的成品樣。在室溫條件下，材料的抗拉強度在1100MPa以上，斷后伸長率在10%以上，材料的拉伸性能好，不易在使用過程中發生拉伸斷裂。屈服強度是指材料對宏觀塑性變形的抗力，屈服變形是不均勻的，本試驗用鋼屈服現象不明顯，用σ0.2表示。硬度值大致為35HRC，符合要求。

在實際工況中，制動盤常在300℃以上的高溫環境下工作，高溫下原子的擴散能力會增大，高溫強度和室溫強度會有所不同，因此，除了常溫拉伸性能以外，還需測試其高溫下的拉伸性能。對比室溫拉伸數據可知，溫度的升高，導致材料的抗拉強度明顯有所下降，斷后伸長率變化不明顯，這是由于高溫下材料的變形機制增多，易發生塑性變形，表現為強度降低，但是相對比于制動盤力學性能要求（σb不小于205N/mm），材料的拉伸性能還是較好的，足以滿足力學性能要求，可以達標。

2.2.2 拉伸斷口分析

斷口有明顯縮頸現象，分三個區域，中心區域為典型的纖維區，在此處易形成裂紋，裂紋會向周圍延伸。在纖維區外，粗糙的放射區，形狀似剪切花樣，這是因為受到較大的拉伸力而發生的剪切變形，在此處擴展很迅速；圖中外圍顏色變灰、變暗，但比起放射區較為平滑但所占面積較小，此處為剪切唇，是拉伸試樣最后斷裂的地方。從圖中還能看出，放射區所占比例最大。放大纖維狀區域、放射花樣區域以及區別于這兩個區域的表面光滑的杯狀區域。杯底垂直主應力，錐面與主應力呈45°角，顏色灰暗色。該區域很明顯呈尺寸大小不等的斷裂韌窩，韌窩形態均勻，韌窩深度無明顯差別，表明是韌性斷口，試樣具有良好的塑性和韌性。發現放射線平行于裂紋擴展方向而垂直于裂紋前端的輪廓線，并逆指向裂紋源。

隨著回火溫度的提高，纖維區和剪切唇所占比例增加，放射區比例減少，故塑性依次增加。纖維區出現韌窩形貌，屬于等軸韌窩，隨著回火溫度的提高，韌窩尺寸越大、深度越深，620℃和660℃出現大而深的韌窩，韌性較佳。放射區也出現韌窩形貌，但韌窩被拉長，發生塑性變形，出現了明顯的放射條紋。剪切唇區較為光滑，韌窩出現位相，沿著一定方向被拉長。

2.2.3 韌脆轉變溫度的確定

本論文中所用的沖擊試樣為28CrNiMoV鍛鋼成品樣上切取的試樣，測試時，選取6個相同的試樣（9#、10#、11#、12#、13#和14#），分別在溫度為10℃、0℃、-10℃、-30℃、-50℃和-60℃測試其沖擊功。經擬合后所獲得的沖擊功-溫度曲線。通常，在不同沖擊試驗溫度下，沖擊吸收功會出現上下兩個平臺，但是本研究中，沖擊吸收功的上下平臺雖然不太明顯，但已經有一定趨勢。通過沖擊功-溫度曲線，認定28CrNiMoV鍛鋼成品樣的沖擊吸收功在室溫10℃以上為上平臺區域，-60℃以下為下平臺區域。同時，根據能量法推測該材料的韌脆轉變溫度為-30℃左右。另一方面，根據國家GB/T229-2007標準，結合所觀察到的斷口全貌，選取測定斷面率所需要的尺寸，計算獲得28CrNiMoV鍛鋼成品試樣的脆面斷面率。經過計算分析后發現，28CrNiMoV鍛鋼成品試樣脆性斷面率為50%時所對應的溫度約為-30℃左右，這與之前能量法所獲得的韌脆轉變溫度結果相吻合，這也從另一方面驗證這兩種方法的可靠性。

2.2.4 沖擊斷口微觀形貌分析

從28CrNiMoV鍛鋼成品試樣在0℃～-60℃的沖擊斷口形貌可以分析出，0℃時沖擊斷口形貌，該溫度靠近沖擊吸收功的上平臺，斷口形貌中纖維區比例大，韌窩的特征明顯，為明顯的韌性斷口。-60℃時沖擊斷口形貌，該溫度靠近沖擊吸收功的下平臺，斷口形貌基本為放射區，斷口灰暗，有結晶狀，河流狀花紋明顯，為典型的脆性斷口，與之前測試的沖擊吸收能量數據相符。

沖擊斷口形貌絕大部分為韌窩形態，靠近缺口部分的韌窩沒有明顯的方向排列，呈典型的等軸韌窩形態。在最后斷裂的一部分區域，韌窩呈明顯的方向性排列且韌窩深度有較為明顯的差別，屬于典型的撕裂韌窩形態。

28CrNiMoV鍛鋼成品試樣-10℃時沖擊斷口形貌可以明顯觀察到沖擊斷裂的裂紋源。該裂紋源有可能是在加工v型缺口時產生缺陷，在隨后的沖擊時測試過程中產生應力集中，最后由缺陷發展為材料沖擊斷裂的裂紋源，導致沖擊斷裂。還可以發現有較多細小的韌窩，同時韌窩不僅多而且深，說明材料的塑性良好。而從中可發現材料發生了二次裂紋擴展，呈準解理特征。

28CrNiMoV鍛鋼成品試樣-50℃時沖擊斷口全貌中可看出試樣的沖擊韌窩明顯變淺，河流狀花樣明顯。試樣沖擊斷口為放射區形貌，其放射區的比例相對之前斷口來說偏大，呈明顯的脆性斷裂特性。可以在一些韌窩中發現疑似夾雜物的存在，夾雜物會對材料韌性產生非常不利的影響，例如增加材料的沖擊脆性，提高韌脆轉變溫度等。在實際汽輪機轉子鍛制成型到制成成品過程，包括熱處理以及后續的加工工藝均無法做到絕對的避免夾雜物的引入，因此，微量的夾雜物在汽輪機轉子鍛件材料中屬于正常的存在。對于沖擊斷口中少量的夾雜屬于正常，本研究對沖擊斷口中疑似夾雜的小部分區域進行能譜分析，能譜分析結果表明，韌窩中存在一些球狀石墨，這可能是樣品脫碳導致的。除此之外，還含有極少量金屬氧化物夾雜，雜質金屬元素主要為鈣（Ca）、鎂（Mg）、鉀（K）以及鋁（Al）。說明鍛鋼中的夾雜物含量極少，主要以CaS、MgS以及Al2O3等形式存在，粒徑約為1μm左右。顆粒較小的夾雜物對樣品的沖擊吸收功影響微小，并不影響斷口形貌的觀察及分析。

28CrNiMoV鍛鋼成品試樣-60℃時沖擊斷口全貌中可以明顯觀察到試樣沖擊斷口的裂紋源。由沖擊斷口的全貌可以發現，試樣在-60℃斷口主要為放射區，斷口的顏色灰暗，有明顯的結晶狀、河流狀花紋，呈典型的脆性斷口。試樣沖擊斷口的纖維區，有少量很淺的韌窩出現，但主要呈脆性斷口特征。

對比不同溫度狀態下的斷口形貌圖片可知，隨著溫度的降低，放射區的比例升高，而沖擊斷口的其他兩個區域所占比例越來越小，“河流”花樣在斷口的微觀形貌中愈發明顯，最后斷裂區域因撕裂而產生撕裂韌窩，但韌窩也逐漸變淺。當溫度低于-30℃時，上述趨勢愈加明顯。當溫度為-60℃時，低倍斷口形貌幾乎全為脆性斷口形貌，根據試驗處理結果，此時的剪切斷面率約為5%，可近似認為材料屬于完全脆性狀態，這也就意味著隨著溫度的降低，材料的脆性逐漸增大。

3 結論

本文通過工業汽輪機轉子用28CrNiMoV鍛鋼的微觀組織調控和沖擊韌性的研究，并通過觀察鍛鋼的微觀組織來分析其沖擊性能及斷裂機理，主要得到以下結論：

（1）28CrNiMoV鍛鋼制動盤試樣在高溫回火后的組織主要為回火索氏體組織，晶粒度測評為7級，滿足工業汽輪機行業對工業汽輪機轉子鍛件材料的要求。

（2）經韌脆轉變曲線及脆性斷面率綜合判定，工業汽輪機轉子用28CrNiMoV鍛鋼材料韌脆轉變溫度約為-30℃，即在實際使用工況中，能保證材料不會突然由韌轉脆，導致工業汽輪機轉子失效而引起汽輪機故障。

（3）通過沖擊測試端口分析發現，發現斷口部位有較多細小的韌窩，同時韌窩不僅多而且深，說明工業汽輪機轉子用28CrNiMoV鍛鋼材料的塑韌性良好。