西門子X20Cr13材料的特殊要求

文/陽東海，吳躍江，蔣喆·西門子（中國）有限公司上海分公司

西門子X20Cr13材料的特殊要求

文/陽東海，吳躍江，蔣喆·西門子（中國）有限公司上海分公司

汽輪機葉片需長期在極苛刻的條件下承受高溫、高壓、巨大的離心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蝕和振動以及濕蒸汽區(qū)水滴沖蝕的共同作用。因此，葉片材料對常溫和高溫瞬時力學(xué)性能，以及持久、蠕變、疲勞與耐腐蝕等長期性能有很高的要求。

西門子X20Cr13是碳含量在0.20％左右，鉻含量在13％左右的馬氏體型不銹鋼，主要用于制造汽輪機和燃氣輪機的壓氣機末幾級葉片，其材料標準被中國幾家大型汽輪機主機廠直接沿用至今。本文對西門子X20Cr13鋼材的采購技術(shù)規(guī)范進行了簡要介紹，解答了國內(nèi)業(yè)界對其材料特殊要求的困惑。

化學(xué)成分要求

相對于國標汽輪機葉片用鋼2Cr13，西門子X20Cr13各金屬元素的上下限范圍更窄，對冶煉工藝和原材料的要求也更高，化學(xué)成分見表1。

生產(chǎn)工藝和交貨狀態(tài)要求

冶煉工藝

西門子采購技術(shù)規(guī)范要求：X20Cr13應(yīng)使用脫氣（比如真空處理）的鋼，使用其他煉鋼工藝應(yīng)事先和采購方達成協(xié)議。采用模鑄鋼錠生產(chǎn)。因為冶煉澆鑄工藝的不同，西門子X20Cr13氣體含量和非金屬夾雜更低，材質(zhì)均勻性更佳。

交貨熱處理工藝

按 歐 標EN10088-3標 準 要 求： 即950～1050℃淬火，油、空冷，600～700℃回火，不允許成捆熱處理，采用足夠的回火時間和慢冷卻速度，以實現(xiàn)回火后殘余應(yīng)力最小。如果熱處理后需要矯直，應(yīng)采用合適的去應(yīng)力退火工藝。

西門子X20Cr13材料，在歐美一般以調(diào)質(zhì)狀態(tài)的鍛造方鋼交貨，在葉片工廠只需經(jīng)過數(shù)控機床加工成葉片即為成品。目前國內(nèi)鋼廠極少能直接提供調(diào)質(zhì)狀態(tài)的鍛造方鋼，基本都是以圓棒退火態(tài)交貨。因此，在中國的葉片制造工廠，大多數(shù)情況下是按西門子X20Cr13材料標準買退火圓棒，經(jīng)模鍛成毛坯或經(jīng)二次鍛造（改鍛）成方鋼后，再調(diào)質(zhì)。最后機加工成形，和歐美進口的西門子X20Cr13調(diào)質(zhì)狀態(tài)的鍛造方鋼相比，總的成本并無優(yōu)勢，而且最終性能還不穩(wěn)定，質(zhì)量責(zé)任難以追溯。從而導(dǎo)致國內(nèi)原材料制造的這類葉片在全球范圍內(nèi)缺乏競爭優(yōu)勢或優(yōu)勢不明顯。

表1 西門子X20Cr13鋼材化學(xué)成分 （ω,％）

西門子X20Cr13采購技術(shù)規(guī)范關(guān)于殘余應(yīng)力的要求，主要是因為殘余應(yīng)力對于葉片的靜載強度、高低周疲勞強度、斷裂強度、蠕變強度、耐高溫腐蝕性能，以及撓曲變形都有一定的影響。其他同樣用途的標準沒有相應(yīng)的考慮。

機械性能要求

西門子采購技術(shù)規(guī)范中規(guī)定按圖1所示位置，縱向取樣，力學(xué)性能標準見表2。

性能均勻性

如果鋼棒橫截面積大于200cm2，中心和側(cè)面的力學(xué)性能都要測，具體按圖1右所示，確保整個橫截面的力學(xué)性能都能達到要求。除了韌性指標，整個鋼棒橫截面上性能差異不宜超過7.5％。硬度最大允許差異不超過35HBW。認證階段，縱向和橫向取樣的拉伸、沖擊值差異不超過10％。

圖1 X20Cr13取樣位置（左：橫截面積≤200cm2；右：橫截面積＞200cm2；Z：拉伸試樣，K：沖擊試樣，M：金相試樣）

FATT及晶間斷裂百分比

認證階段，按ASTM A370測定FATT（韌脆轉(zhuǎn)變溫度），最好小于30℃，測試試樣數(shù)量不少于10個。室溫測試的試樣必須檢測晶間斷裂百分比（IGF），其值應(yīng)不大于10％。

西門子X20Cr13材料在取樣位置、測試條件以及測試要求等方面，都和國標汽輪機葉片用鋼2Cr13有差別，直接測得的力學(xué)性能值只能用作參考，不可對等比較。西門子X20Cr13對性能均勻性，以及FATT、IGF（晶間斷裂百分比）提出了附加認證要求（僅在材料工藝認證階段，量產(chǎn)不做測試要求）。其目的如下：

⑴材料組織不均勻，會導(dǎo)致持久強度和持久塑性下降，也會因為局部的塑性變形產(chǎn)生裂紋，從而導(dǎo)致疲勞失效。

⑵FATT是材料的塑性指標，也是與斷裂韌性KIC相關(guān)的重要參數(shù)。影響材料FATT的因素很多，如化學(xué)成分、微量元素含量、冶煉工藝、鍛造工藝和熱處理工藝等。材料的冶金缺陷如偏析、非金屬夾雜、有害元素含量、裂紋、白點等明顯地提高FATT。同種材料FATT數(shù)值的高低，綜合反映出材料的冶金質(zhì)量。

⑶IGF的要求，則考慮到了葉片材料的蠕變性能。蠕變脆性斷裂時無明顯的塑性變形，且呈晶間型斷裂特征。

表2 X20Cr13力學(xué)性能

冶金質(zhì)量檢驗要求

冶金質(zhì)量檢驗取樣

最小檢測面積320mm2（如圖1 M樣塊所示），清潔度檢驗必須在每個母爐號每個熱處理批次的一根鋼棒的中心做（熱處理前后的狀態(tài)都可以）。

西門子X20Cr13規(guī)定的冶金質(zhì)量最小檢測面積比國標大，質(zhì)量控制更嚴。而且規(guī)定每個母爐號每個熱處理批次都要求做冶金質(zhì)量檢驗，對汽機、燃機材料的追溯性考慮得更周全。

非金屬夾雜物

非金屬夾雜物含量按ASTM E45/方法檢測，細系：A、B、C類≤2，D類≤2.5；粗系：A、B、C、D類≤1.5；球狀夾雜物（D類）最大數(shù)量和尺寸：IR（D）≤10；（IR（D）對應(yīng)于160mm2的檢驗面積；由不同尺寸范圍的球狀夾雜物及其導(dǎo)致的孔洞數(shù)量計算得出）；大于一定尺寸的球狀夾雜物及孔洞不允許存在。

西門子X20Cr13對粗系夾雜的要求高，并強調(diào)對球狀夾雜物（D類）及其導(dǎo)致的孔洞的控制。目的是為了控制葉片的疲勞失效，以及在高溫工作條件下的蠕變效應(yīng)。因為夾雜物是應(yīng)力集中源，會導(dǎo)致夾雜物與基體界面之間過早地產(chǎn)生疲勞裂紋；而高溫下韌性材料的破壞通常認為是，孔洞繞夾雜或第二相粒子形成、長大和聚合的結(jié)果。

δ鐵素體含量

δ鐵素體小于5％，按和ASTM E45方法A，100∶1的“最差視場法”相一致的方式檢測，試樣朝向為縱向。δ鐵素體的分布和尺寸，應(yīng)在機加工好的表面上，經(jīng)磁粉檢測無顯示。經(jīng)采購方同意后，其他測試方法（比如AMS2315）也可以采用。

δ鐵素體的存在是造成馬氏體耐熱鋼沖擊韌性低的主要原因。在機加工表面上，經(jīng)磁粉檢測無顯示，此要求比對應(yīng)國標更嚴格。

晶粒度

晶粒度必須在所有熱處理結(jié)束以后的最軟和最硬的鋼棒上測量，按ASTME112或ISO643檢測，平均晶粒度必須不大于4級，與平均晶粒度大于2級的偏差不能接收。

關(guān)于晶粒度測量：西門子X20Cr13對于取樣鋼棒的定義范圍比國標汽輪機葉片用鋼2Cr13更加嚴格，對晶粒度測量再次強調(diào)材料的均勻性。如果兩個試樣的晶粒度分別為4級和7級，按國標汽輪機葉片用鋼2Cr13的晶粒度檢驗要求是完全合格的，而按西門子X20Cr13的晶粒度檢驗要求，則可判該批材料不合格。 主要有以下考慮：

⑴晶粒細小，是為了確保葉片的強度和韌性。

⑵晶粒均勻，則是考慮到了葉片的疲勞強度和持久性能。

⑶從要求高的持久強度出發(fā)，希望晶粒略為粗大一些。因為晶粒變粗說明晶界總長度減少，對以沿晶界粘性滑動而產(chǎn)生變形或破壞形式的持久或蠕變性能來說，晶粒粗化意味著這一類性能提高。但考慮到疲勞性能又希望晶粒細一點，所以對這類耐熱材料一般取適中晶粒為宜。

⑷在耐熱鋼及合金中，晶粒不均勻會在大小晶粒交界處出現(xiàn)應(yīng)力集中，裂紋易于在此產(chǎn)生，顯著降低其高溫性能。

目測及超聲波檢驗

在所有熱處理結(jié)束以后，應(yīng)進行無損檢測，一是目測所有鋼棒有無表面缺陷；二是按內(nèi)控標準對所有鋼棒超聲波檢驗，要求100％全檢，缺陷超過規(guī)定限度會記錄，并扣留有缺陷的鋼棒。

西門子X20Cr13原材料要求超聲波100％全檢，源于對葉片這個汽輪機和燃氣輪機關(guān)鍵部件的技術(shù)和質(zhì)量要求的考慮。此項檢驗的目的是，表面的應(yīng)力集中部位，以及表面下難以看到的缺陷部位，會由于局部塑性變形而產(chǎn)生裂紋，這是疲勞失效的起因。

結(jié)束語

西門子X20Cr13材料在交貨狀態(tài)、生產(chǎn)工藝、力學(xué)性能和檢驗等方面的特殊要求，對葉片的使用性能和原材料質(zhì)量控制的關(guān)系考慮得更加深刻。其對于材料組織和性能均勻性的重視，值得國內(nèi)鋼鐵行業(yè)和標準制定者關(guān)注、思考與借鑒。

西門子X20Cr13的采購技術(shù)規(guī)范，充分考慮了上游組織（鋼廠）和下游組織（后續(xù)加工與應(yīng)用）在生產(chǎn)工藝和檢驗工藝上的協(xié)調(diào)性，以及應(yīng)用狀態(tài)對其技術(shù)和質(zhì)量的要求。體現(xiàn)了先進企業(yè)從單個組織和單個產(chǎn)品競爭到產(chǎn)業(yè)鏈競爭的變化，及其對于供應(yīng)商縱向知識整合的要求。

陽東海，工學(xué)博士，現(xiàn)從事鍛件供應(yīng)商質(zhì)量管理工作。