工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用鋼28CrMoNiV脆性轉(zhuǎn)變溫度的研究*

劉中華 ，何 成 ，劉京偉，徐 偉，黃淑秋，方章法，宋思遠(yuǎn)

(1.杭州汽輪動(dòng)力集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310016;2.杭州汽輪機(jī)股份有限公司，浙江 杭州 310003;3.杭州汽輪鑄鍛有限公司，浙江 杭州310006)

0 引言

28CrMoNiV 鋼是杭州汽輪動(dòng)力集團(tuán)公司引進(jìn)西門子反動(dòng)式系列工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件的重要材料，其長(zhǎng)期在高溫、高壓、低溫、潮濕等惡劣工況下高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，需具有足夠的高溫持久強(qiáng)度、合理的強(qiáng)韌性匹配及較低的脆性轉(zhuǎn)變溫度。為防止轉(zhuǎn)子發(fā)生脆性損傷，要求轉(zhuǎn)子服役時(shí)始終處于韌性狀態(tài)，即要求機(jī)組運(yùn)行溫度應(yīng)高于轉(zhuǎn)子的脆性轉(zhuǎn)變溫度。隨著能源緊張和環(huán)保壓力的日益突出，工業(yè)汽輪機(jī)組日益呈現(xiàn)出高參數(shù)、高功率和大型化的發(fā)展趨勢(shì)，與此同時(shí)機(jī)組的進(jìn)汽壓力和溫度不斷提高，排汽壓力和溫度進(jìn)一步降低，轉(zhuǎn)子的尺寸不斷增大，服役環(huán)境也更加惡劣，因此對(duì)轉(zhuǎn)子材料的質(zhì)量，特別是脆性轉(zhuǎn)變溫度提出了更高的要求。脆性轉(zhuǎn)變溫度作為轉(zhuǎn)子材料重要的質(zhì)量指標(biāo)，綜合體現(xiàn)了轉(zhuǎn)子鋼內(nèi)在的質(zhì)量水平，在一定程度上反映了生產(chǎn)廠家的制造實(shí)力。國(guó)內(nèi)外對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子材料的研究主要集中在轉(zhuǎn)子鍛件的生產(chǎn)、質(zhì)量評(píng)定以及高性能轉(zhuǎn)子材料開(kāi)發(fā)等方面［1-3］，關(guān)于工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度的正確評(píng)定以及影響因素卻未見(jiàn)報(bào)道。

筆者研究工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用鋼28CrMoNiV 在不同試驗(yàn)溫度下的沖擊韌性，結(jié)合對(duì)沖擊吸收功、脆性斷面率和斷口形貌的分析，評(píng)定該轉(zhuǎn)子鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，并對(duì)轉(zhuǎn)子鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度的主要影響因素進(jìn)行研究，為生產(chǎn)廠家進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)子鋼的質(zhì)量提供理論參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用轉(zhuǎn)子鋼28CrMoNiV 的制造采用電渣重熔鋼錠，運(yùn)用合理優(yōu)化的鍛造及熱處理工藝:鍛造比大于4.5，鍛后預(yù)備熱處理采用正火+回火的方式，正火溫度為900 ℃～920 ℃，回火溫度為640 ℃～660 ℃，調(diào)質(zhì)熱處理淬火溫度為940 ℃～950 ℃，采用水淬油冷的技術(shù)，高溫回火溫度為660 ℃～670 ℃。試樣取自轉(zhuǎn)子鍛件的軸身切向，其成品化學(xué)成分如表1 所示。

表1 28CrMoNiV 鋼的化學(xué)成分(單位:wt.%)

試驗(yàn)按照《GB/T229—2007 金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》中規(guī)定的方法進(jìn)行，利用“系列溫度沖擊試驗(yàn)法”測(cè)定該材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度，夏比V 型缺口沖擊試樣為標(biāo)準(zhǔn)試樣10 mm×10 mm×55 mm。本研究在ZBC-2302N-2 型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上分別進(jìn)行－100 ℃～20 ℃溫度的夏比沖擊試驗(yàn)，溫度間隔為20℃，每個(gè)試驗(yàn)溫度點(diǎn)采用3個(gè)試樣。低溫控溫介質(zhì)為無(wú)水乙醇和液氮混合物，為保證試樣內(nèi)、外溫度一致，試樣在規(guī)定溫度溶液中保溫時(shí)間≥5 min，用TESTO735-1 型低溫?zé)犭娕紲y(cè)試溫度。本研究采取縮短間隔時(shí)間和補(bǔ)償溫度損失的方法，盡量保證沖擊時(shí)試樣溫度為預(yù)定溫度。沖擊后的試樣經(jīng)無(wú)水乙醇浸泡，并迅速吹干，利用SM-5600LV 型掃描電鏡(SEM)觀察斷口形貌，并將試樣經(jīng)過(guò)磨削-拋光-腐蝕，利用Axiovert 200MAT 金相顯微鏡觀察其顯微組織。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

試樣在不同試驗(yàn)溫度下的測(cè)試結(jié)果如表2 所示?？煽闯?，試驗(yàn)鋼在室溫時(shí)有較高的沖擊韌性，隨著溫度的降低，沖擊吸收功下降，脆性斷面率上升，特別是試驗(yàn)溫度由－40 ℃降到－60 ℃時(shí)，沖擊吸收功急劇減小，脆性斷面率急劇增加。

表2 28CrMoNiV 鋼不同溫度下沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.2 斷口形貌分析

利用掃描電鏡觀察到的不同試驗(yàn)溫度對(duì)應(yīng)的沖擊斷口形貌如圖1 所示。試驗(yàn)溫度為20 ℃和0 ℃時(shí)，試樣斷口表面有大量的韌窩，呈典型的韌性斷裂特征，如圖1(a)、1(b)所示。試驗(yàn)溫度下降到－20 ℃和－40 ℃時(shí)，斷口表面的韌窩數(shù)量和尺寸都在減小，韌窩較為淺平細(xì)小且分布不均勻，斷裂方式還是以韌性斷裂為主，如圖1(c)、1(d)所示。試驗(yàn)溫度低于－60 ℃后，斷口表面的韌窩數(shù)量急劇減少，呈現(xiàn)出典型的解理斷口形貌，如圖1(e～g)所示?？梢钥闯觯S著試驗(yàn)溫度的降低，試樣由韌性斷裂逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?，韌性轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)在－40 ℃與－60 ℃之間。

圖1 不同溫度下沖擊試驗(yàn)斷口形貌

沖擊試樣在溫度分別為20 ℃和－60 ℃時(shí)斷口形貌的局部放大圖如圖2 所示。

圖2 斷口形貌局部放大圖

在圖2(a)中可觀察到斷口形貌呈典型的等軸韌窩特征，韌窩數(shù)量較多且分布均勻，在部分韌窩的窩底可看到強(qiáng)化第二相小顆粒，可見(jiàn)斷裂前發(fā)生了較大的塑性變形。

而圖2(b)中可觀察到斷口表面有大量的扇形解理花樣，并出現(xiàn)脆性滑移平臺(tái)。

2.3 脆性轉(zhuǎn)變溫度確定

金屬材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度可通過(guò)脆性斷面率到達(dá)規(guī)定百分?jǐn)?shù)(如FATT50)或沖擊吸收功到達(dá)上、下平臺(tái)區(qū)間規(guī)定百分?jǐn)?shù)(如ETT50)來(lái)確定。大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明［4-5］，脆性斷面率和沖擊吸收功與溫度之間的關(guān)系曲線均呈S 形。即在低溫區(qū)時(shí)，試樣的沖擊吸收功較低(脆性斷面率較高)，隨著溫度的升高，沖擊吸收功逐漸升高(脆性斷面率逐漸降低)，當(dāng)?shù)竭_(dá)轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間時(shí)，沖擊吸收功迅速上升(脆性斷面率迅速下降)，隨后逐漸平緩形成水平線，關(guān)系曲線大致可分為下平臺(tái)區(qū)，轉(zhuǎn)變溫度區(qū)和上平臺(tái)區(qū)3個(gè)階段。

在實(shí)際操作中，由于無(wú)法使脆性斷面率或沖擊吸收功的結(jié)果剛好滿足轉(zhuǎn)變點(diǎn)要求，且實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)離散度較大，得到典型的S 型曲線非常困難，通常需要采用曲線擬合方法來(lái)確定。

大量的研究與實(shí)踐表明［6-8］，采用Boltzmann 函數(shù)對(duì)沖擊功(或脆性斷面率)和溫度的關(guān)系進(jìn)行擬合回歸分析時(shí)，溫度和沖擊功(或脆性斷面率)的關(guān)系得到較好的闡述，其溫度和沖擊功(或脆性斷面率)具有較好的關(guān)聯(lián)性及較小的誤差，且各物理參數(shù)的意義明確，是最為合適的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法:

式中:t—溫度，℃;A1—下平臺(tái)能，J;A2—上平臺(tái)能，J;t0—脆性轉(zhuǎn)變溫度，℃;Δt—轉(zhuǎn)變溫度區(qū)的溫度范圍，℃(Δt 越小，轉(zhuǎn)變溫度區(qū)的溫度范圍越窄，即材料越易由韌性向脆性轉(zhuǎn)變)。

沖擊斷口脆性斷面率和沖擊吸收功與試驗(yàn)溫度的關(guān)系擬合曲線圖如圖3 所示。

由圖3 可見(jiàn)明顯的沖擊功上、下平臺(tái)及脆性斷面率上、下平臺(tái)，脆性斷面率為50% 時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度FATT50為－55 ℃，沖擊吸收功為上、下平臺(tái)區(qū)間50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度ETT50為－52 ℃，兩種方法確定的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度相差不大，這也與觀察到的沖擊斷口形貌特征相符。結(jié)合斷口形貌分析，最終確定28CrMoNiV 的脆性轉(zhuǎn)變溫度t0=－52 ℃。

圖3 28CrMoNiV 鋼沖擊擬合曲線圖

3 脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響因素

根據(jù)西門子引進(jìn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，該轉(zhuǎn)子鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度要求為≤85 ℃，而該試驗(yàn)測(cè)定的轉(zhuǎn)子鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度明顯低于該數(shù)值。通過(guò)研究分析，本研究認(rèn)為該28CrMoNiV 轉(zhuǎn)子鋼鍛件脆性轉(zhuǎn)變溫度較低的原因主要有以下幾點(diǎn)。

3.1 化學(xué)成分的影響

合金元素對(duì)鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度有著明顯的影響。Mn 可改善鋼的韌性，C 是重要的脆化元素，碳化物大部分是脆性相，裂紋源，在鋼的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分范圍內(nèi)，隨著Mn/C 比的增加，可提高鋼的沖擊韌性［9］。Ni 不形成碳化物，幾乎完全溶入鐵素體，從而起到固溶強(qiáng)化的作用，Ni 可以改善材料的塑性和韌性，尤其是材料低溫時(shí)的沖擊性能，從而降低脆性轉(zhuǎn)變溫度。除Mn、Ni 外，鐵素體形成元素均有促進(jìn)鋼脆化的傾向［10］。Si是非碳化物形成元素，固溶于鋼中起到固溶強(qiáng)化作用，隨著Si 含量的增加，鋼的抗裂性能降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，Mo、V 是提高熱強(qiáng)度重要的元素，但都使韌脆性轉(zhuǎn)變溫度升高［11］。P和S 等雜質(zhì)易于在晶界上偏聚，降低晶界表面能，弱化了晶界，增大了沿晶脆性斷裂的傾向，是使鋼致脆的最主要元素，降低P、S 等雜質(zhì)含量可有效提高鋼的韌性［12-14］。

該試驗(yàn)用材料28CrMoNiV 鋼冶煉時(shí)采用電渣重熔技術(shù)，通過(guò)先進(jìn)的冶煉工藝，精準(zhǔn)控制各類元素化學(xué)成分，具有純凈度高，非金屬夾雜物低等特點(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)中，本研究在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)合理提高M(jìn)n/C 比，同時(shí)盡可能的降低Si、P、S 等元素的含量，使雜質(zhì)元素含量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求值，從而有效地降低了試驗(yàn)鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度。

3.2 微觀組織的影響

鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度與其微觀組織有密切關(guān)系。相關(guān)研究表明［15-16］，淬火時(shí)采用水淬油冷等激冷的方式，獲得較多的馬氏體組織，有利于韌性的提高;回火后組織中碳化物及第二相顆粒越細(xì)小均勻，則越有利于脆性轉(zhuǎn)變溫度的降低。

試驗(yàn)用28CrMoNiV 鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理時(shí)，淬火采用水淬油冷的工藝得到馬氏體組織，再通過(guò)高溫回火獲得回火索氏體，其金相組織如圖4 所示。

圖4 28CrMoNiV 鋼的金相組織(500×)

由圖4 可以看出，試樣組織致密均勻，細(xì)小的碳化物及第二相顆粒呈彌散均勻分布，降低了脆性轉(zhuǎn)變溫度，此外還存在呈條束狀且尺寸十分細(xì)小的針狀鐵素體，裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中會(huì)受到這些彼此咬合、互相交錯(cuò)分布的細(xì)小的針狀鐵素體的阻礙，從而有效地提高了其強(qiáng)度和韌性，針狀鐵素體內(nèi)部的高密度位錯(cuò)和亞晶界結(jié)構(gòu)也在很大的程度上提高了韌性，降低了鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度。

3.3 晶粒尺寸的影響

鋼中的晶粒尺寸對(duì)脆性轉(zhuǎn)變溫度有顯著的影響。派齊方程［17］描述了晶粒尺寸與脆性轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系，晶粒越細(xì)小，脆性轉(zhuǎn)變溫度越低，如下式所示:

式中:β，B，C—常數(shù);d—晶粒尺寸;Tt—脆性轉(zhuǎn)變溫度。

28CrMoNiV 鋼通過(guò)鍛造、正火等工藝細(xì)化了晶粒組織。晶粒細(xì)化后，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目增多，細(xì)晶粒受到外力發(fā)生塑性變形時(shí)，可分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，使變形更為均勻，同時(shí)降低應(yīng)力集中。此外，晶粒細(xì)化增加了晶界的總面積，使晶界更為曲折并增加裂紋擴(kuò)展的難度，晶界總面積的增加還可降低晶界上P、S 等雜質(zhì)元素的濃度，使晶界表面能增加，減少沿晶脆性斷裂的傾向，從而提高鋼的韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度［18］。由圖4 可以看出，整個(gè)組織呈彌散分布、較為細(xì)小，細(xì)小的晶粒使得28CrMoNiV 轉(zhuǎn)子鋼具有較高的沖擊韌性，并降低了脆性轉(zhuǎn)變溫度。

可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子用28CrMoNiV 鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度的降低是化學(xué)成分、微觀組織以及晶粒尺寸等綜合作用下的結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究基于工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用鋼28CrMoNiV 在不同溫度下的沖擊試驗(yàn)，運(yùn)用掃描電鏡技術(shù)、Boltzmann 函數(shù)模型擬合等方法，定性分析了轉(zhuǎn)子鋼在不同溫度下沖擊吸收功及脆性斷面率對(duì)應(yīng)的斷口形貌變化情況，評(píng)定了轉(zhuǎn)子鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，并通過(guò)對(duì)影響轉(zhuǎn)子鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度因素進(jìn)行的分析，得出了該轉(zhuǎn)子鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度明顯低于標(biāo)準(zhǔn)值的原因。

根據(jù)以上分析的結(jié)果，轉(zhuǎn)子鋼生產(chǎn)廠家可從冶煉技術(shù)及熱加工工藝入手來(lái)降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，同時(shí)質(zhì)量檢測(cè)人員應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確評(píng)定轉(zhuǎn)子鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，以便判斷是否低于工業(yè)汽輪機(jī)組的工作溫度，確保機(jī)組長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］ZEILER G，BAUER R，PUTSCHOEGL A.Experiences in manufacturing of forgings for power generation application［J］.La Metalluria Italiana，2010(6):33-37.

［2］NIU Li-Bin，ASHI K B，SUYUKI M，et al.Aging effect on creep rupture properties of super-clean 9%CrMoV steel for steam turbine rotors of combined cycle power plants［J］.Key Engineering Materials，2004，274-276(I):931-936.

［3］范 華，鐘 杰，楊功顯.高低壓一體化整鍛轉(zhuǎn)子材料的力學(xué)性能研究［J］.東方電氣評(píng)論，2006，20(2):22-43.

［4］王元清，奚 望，石永久.鋼軌鋼材低溫沖擊功的試驗(yàn)研究［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，47(9):1414-1417.

［5］王 烽，廉曉潔.沖擊韌脆轉(zhuǎn)變曲線數(shù)學(xué)模型的選擇［J］.理化檢驗(yàn):物理分冊(cè)，2009，45(10):617-620.

［6］羅曉蓉，陳晨楓，丁欲曉，等.基于Origin 軟件正確評(píng)定韌脆性轉(zhuǎn)變溫度［J］.物理測(cè)試，2010，28(2):37-39.

［7］趙建平，張秀敏，沈士明.材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度數(shù)據(jù)處理方法探討［J］.石油化工設(shè)備，2004，33(4):29-32.

［8］周昌玉，夏翔鳴.CrMo 鋼材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線的回歸分析［J］.壓力容器，2003，20(6):13-18.

［9］李紅英，魏冬冬，林 武，等.X80 管線鋼沖擊韌性研究［J］.材料熱處理學(xué)報(bào)，2010，31(11):73-76.

［10］師昌緒，鐘群鵬，李成功，等.中國(guó)材料工程大典［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［11］朱明亮，軒福貞，梅林波，等.汽輪機(jī)高、低壓一體化轉(zhuǎn)子材料及性能的研究進(jìn)展［J］.動(dòng)力工程，2008，28(5):664-671.

［12］沈冬冬，袁澤喜.2.25Cr1Mo 鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度影響因素分析［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34(6):410-413.

［13］TANAKA Y，AZUMA T，YAEGASHI N.Isothermal aging test results (up to 100000h)of NiCrMoV steels for lowpressure steam turbine［J］.International Journal of Pressure Vessels and Piping，1994:71-81.

［14］徐挺棟.非平衡晶界偏聚動(dòng)力學(xué)和晶間脆性斷裂［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.

［15］陳國(guó)浩.1%CrMoV 型鋼汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件的熱處理［J］.大型鑄鍛件，1988，1(4):20-25.

［16］崔忠圻，覃耀春.金屬學(xué)與熱處理［M］.2 版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［17］高彩茹，李洪斌，劉相華，等.400 MPa 級(jí)超級(jí)鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2003，24(11):1057-1058.

［18］齊俊杰，黃運(yùn)華，張 躍.微合金化鋼［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2006.