低壓轉(zhuǎn)子鍛件次表面性能研究

金嘉瑜楊增鋼芮守泰( ．中南大學(xué)，湖南4008;．哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江50046;．天津重型裝備工程研究有限公司，天津00457)

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低壓轉(zhuǎn)子鍛件次表面性能研究

金嘉瑜1楊增鋼2芮守泰3
( 1．中南大學(xué)，湖南410083;
2．哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江150046;
3．天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

摘要:分析了30Cr2Ni4MoV低壓轉(zhuǎn)子鍛件軸身中部次表面沖擊功降低的原因，提出提高回火溫度的方法解決該問(wèn)題。

關(guān)鍵詞:30Cr2Ni4MoV;低壓轉(zhuǎn)子;次表面;力學(xué)性能

600 MW低壓轉(zhuǎn)子鍛件材料為30Cr2Ni4MoV鋼，轉(zhuǎn)子軸身粗加工直徑為1 790 mm，長(zhǎng)度為7 935 mm，交貨重量為51．789 t。低壓轉(zhuǎn)子力學(xué)性能要求如表1所示。制造廠是在軸身中部的表面進(jìn)行取樣，位置如圖1所示。而用戶是在軸身距表面300 mm下進(jìn)行取樣，位置如圖2所示。

用戶復(fù)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)多支轉(zhuǎn)子在軸身中部的次表面取樣的性能試驗(yàn)中沖擊功不合格，而其它部位的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。比較制造廠和用戶在軸身中部的取樣位置發(fā)現(xiàn)兩者的位置有差異。

制造廠在轉(zhuǎn)子軸身中部的表面套取徑向試棒的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

用戶在轉(zhuǎn)子軸身中部的表面300 mm以下套取徑向試棒的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

可以看出，兩者在強(qiáng)度和塑性方面差別不大，但在韌性方面有很大差異，用戶取樣試驗(yàn)的沖擊功沒(méi)有達(dá)到要求。低壓轉(zhuǎn)子所用材料具有極高的淬透性、優(yōu)秀的綜合力學(xué)性能，能獲得從表面到芯部相對(duì)均勻的力學(xué)性能，是目前大容量低壓轉(zhuǎn)子的唯一選材。該低壓轉(zhuǎn)子鍛件的粗加工截面還不到1 800 mm，取樣位置只是在深度方向相差300 mm，從材料特性和生產(chǎn)實(shí)踐來(lái)看都不應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生不

表1　低壓轉(zhuǎn)子力學(xué)性能要求Table 1　Mechanical property requirements of low pressure rotor

圖1　制造廠取樣位置Figure 1　 Sampling position for manufacturer

圖2　用戶取樣位置Figure 2　Sampling position for customer

表2　轉(zhuǎn)子軸身中部的表面試驗(yàn)結(jié)果Table 2　 Surface test results in the central of rotor body

表3　轉(zhuǎn)子軸身中部表面300 mm以下試驗(yàn)結(jié)果Table 3　Test results below 300mm of surface in the central of rotor body

合格的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象值得深入分析和研究，同時(shí)已經(jīng)交貨的轉(zhuǎn)子還面臨著后續(xù)如何處理的問(wèn)題。

1　以往轉(zhuǎn)子表面至中心的性能情況

對(duì)于熱處理直徑約3 000 mm的核電低壓轉(zhuǎn)子鍛件，我們進(jìn)行過(guò)轉(zhuǎn)子沿全長(zhǎng)和全橫斷面的整體解剖試驗(yàn)研究。圖3和圖4分別為在轉(zhuǎn)子橫斷面解剖時(shí)沿兩個(gè)不同徑向從表面到中心部位的沖擊值分布。從分布曲線可以看出，沖擊功從表面到中心表現(xiàn)為逐漸降低，但降低幅度不大，中心部位的沖擊功也大多在200 J以上，具有很高的韌性。從核電低壓轉(zhuǎn)子的解剖數(shù)據(jù)看，直徑3 000 mm的30Cr2Ni4MoV材料鍛件從表面到芯部是完全可以淬透的，表面到中心的沖擊值都在合格范圍內(nèi)，沒(méi)有次表面沖擊值降低的現(xiàn)象。

20世紀(jì)90年代生產(chǎn)的300 MW～600 MW低壓轉(zhuǎn)子(強(qiáng)度等級(jí)與上述轉(zhuǎn)子都是相同的)都是打中心孔的，都要進(jìn)行中心試樣的性能檢驗(yàn)。抽取20世紀(jì)90年代出產(chǎn)的3支轉(zhuǎn)子中心孔性能試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表4。

圖3　A試料沿徑向沖擊功分布Figure 3　 Distribution of impact property along radial for specimen A

圖4　B試料沿徑向沖擊功分布Figure 4　 Distribution of impact property along radial for specimen B

表4　3支轉(zhuǎn)子中心孔性能試驗(yàn)結(jié)果Table 4　Mechanical property test results of central holes for 3 rotors

表5　軸身中部表面150 mm性能試驗(yàn)結(jié)果Table 5　Mechanical property test results below 150 mm of surface in the center of rotor body

從表4可以看出，沖擊值是合格的，并且沖擊功都在三位數(shù)的水平，轉(zhuǎn)子中心的強(qiáng)度和沖擊功還比標(biāo)準(zhǔn)要求值高出很多。

在某廠生產(chǎn)的另一種直徑1 660 mm的轉(zhuǎn)子，在軸身中部表面150 mm位置取樣的性能試驗(yàn)結(jié)果也列于表5。從表5數(shù)據(jù)看150 mm下縱向沖擊值與表面沒(méi)有差別，而切向沖擊值呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，并且強(qiáng)度也有所降低。但總體降低幅度都不大，沒(méi)有達(dá)到不合格的水平。

從上述以往轉(zhuǎn)子制造的數(shù)據(jù)來(lái)看，除去強(qiáng)度要求的差異外，沖擊韌性從表面到中心都處于較高的水平，不同的位置沖擊功沒(méi)有存在大的偏差。轉(zhuǎn)子中心部位的沖擊功降低幅度比次表面沖擊功降低幅度小。

2　次表面性能偏低的原因分析

轉(zhuǎn)子所用材料具有很高的淬透性，可以使表面到中心獲得完全貝氏體組織，內(nèi)外部的性能比較均勻。對(duì)這種材料的轉(zhuǎn)子各部位的性能變化，除核電低壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行了解剖有試驗(yàn)數(shù)據(jù)外，其它火電轉(zhuǎn)子并沒(méi)有全面的試驗(yàn)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)轉(zhuǎn)子從表面到中心的性能變化主要是經(jīng)驗(yàn)判斷，象上述有問(wèn)題轉(zhuǎn)子一樣的取樣方式的性能試驗(yàn)以前沒(méi)有做過(guò)。從以前生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子各項(xiàng)性能指標(biāo)看，從表面到中心強(qiáng)度指標(biāo)變化不大，但沖擊指標(biāo)還是有變化的，總體上從表面到中心沖擊指標(biāo)還是有很大降低的。從材料特性、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、性能要求等因素看，有以下幾方面對(duì)于次表面沖擊功的影響很大。首先是核電低壓轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度要求比火電轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度要求低很多，實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果也是有很大差別的。核電轉(zhuǎn)子要求的強(qiáng)度比較低，對(duì)應(yīng)的沖擊功都很高，從表面到中心沖擊功的降低也比較緩慢，數(shù)值較穩(wěn)定。可見(jiàn)低強(qiáng)度要求的轉(zhuǎn)子不會(huì)在次表面產(chǎn)生沖擊功降低的問(wèn)題。第二是轉(zhuǎn)子在淬火過(guò)程中不同部位的冷卻速度是不同的，總體上從表面到中心冷卻速度在降低。但對(duì)于臨界轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的冷卻速度，從計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果分析，從表面到中心并不是呈不斷降低的趨勢(shì)，在次表面的1/3r～1/2r區(qū)域的冷卻速度比中心部位的冷卻速度低，使得這個(gè)區(qū)域的淬火組織不如中心部位的組織好，造成沖擊功低于中心部位。第三從鋼錠凝固的規(guī)律分析，在鋼錠凝固過(guò)程中在傾斜樹(shù)枝狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)之間出現(xiàn)A偏析［1］。A偏析在錠身中部是在距鋼錠表面0．38～0．42的鋼錠半徑位置［1］，是在鋼錠的次表面，經(jīng)過(guò)鍛造基本對(duì)應(yīng)的是轉(zhuǎn)子的次表面。當(dāng)沖擊試樣的缺口處在截?cái)郃偏析的位置時(shí)，其沖擊強(qiáng)度有較大的降低［1］，導(dǎo)致次表面沖擊功降低。

3　轉(zhuǎn)子后續(xù)修復(fù)方案和結(jié)果

根據(jù)轉(zhuǎn)子材料強(qiáng)度與沖擊功相互聯(lián)系的特性，結(jié)合轉(zhuǎn)子現(xiàn)有性能中強(qiáng)度尚有一些高于標(biāo)準(zhǔn)要求，而沖擊功距標(biāo)準(zhǔn)要求差距不大的現(xiàn)狀?？紤]采用補(bǔ)充回火的方式對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行挽救，但是修復(fù)工作存在回火溫度的選擇和轉(zhuǎn)子防變形等主要問(wèn)題，存在產(chǎn)生其它不符合要求的可能。

為保證回火溫度的準(zhǔn)確，避免出現(xiàn)回火溫度提高過(guò)多使強(qiáng)度過(guò)低的不合格現(xiàn)象和回火溫度提高過(guò)少產(chǎn)生的強(qiáng)度變化少、沖擊功提高少還不合格的現(xiàn)象。采用了在轉(zhuǎn)子上與試驗(yàn)部位相同區(qū)域取樣進(jìn)行回火參數(shù)試驗(yàn)的辦法，找出合適的回火溫度。系列回火溫度試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著回火溫度的提高，強(qiáng)度逐漸有規(guī)律的下降，但沖擊功并沒(méi)有明顯的規(guī)律，但均有不同程度的提高。最后按照強(qiáng)度可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的最高回火溫度來(lái)選擇。轉(zhuǎn)子經(jīng)回火后實(shí)際性能結(jié)果見(jiàn)表6，性能合格。

表6　轉(zhuǎn)子回火后性能結(jié)果Table 6　Mechanical property of rotor after tempering

由于轉(zhuǎn)子已經(jīng)為交貨狀態(tài)，表面余量很小，并且已經(jīng)切掉了原熱處理時(shí)的吊頭，無(wú)法進(jìn)行吊掛回火。如何起吊和裝爐，防止轉(zhuǎn)子在回火中產(chǎn)生變形也是決定轉(zhuǎn)子能否修復(fù)成功的關(guān)鍵。轉(zhuǎn)子加熱采用在井式爐中座底的方式，保證轉(zhuǎn)子的加熱均勻和受力均勻。起吊用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的吊具完成。結(jié)果轉(zhuǎn)子回火后變形很小，滿足加工要求。

4　結(jié)論

30Cr2Ni4MoV材料的低壓轉(zhuǎn)子鍛件在性能熱處理后出現(xiàn)軸身中部次表面的沖擊功降低。導(dǎo)致次表面性能降低的因素除材料自身特性外，淬火冷卻特性和鋼錠凝固特性是導(dǎo)致沖擊功降低的主要原因。控制強(qiáng)度略高于標(biāo)準(zhǔn)要求是獲得較高次表面沖擊功的辦法。

參考文獻(xiàn)

［1］康大韜，葉國(guó)斌．大型鍛件材料及熱處理．龍門(mén)書(shū)局，1998: 52－57．

編輯杜青泉

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Research on Sub-surface Mechanical Properties of Low Pressure Rotor Forgings

Jin Jiayu，Yang Zenggang，Rui ShouTai

Abstract:The reason of reduced sub-surface impact property in the central of 30Cr2Ni4MoV low pressure rotor body has been analyzed．Meanwhile，the solution by means of increasing the tempering temperature has been put forward．

Key words:30Cr2Ni4MoV; low pressure rotor; sub-surface; mechanical property

作者簡(jiǎn)介:金嘉瑜( 1960—)男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事大型鑄鍛件材料及熱處理研究。

收稿日期:2015—05—18

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

中圖分類(lèi)號(hào):TG156