改進(jìn)預(yù)備熱處理工藝提高單缸聯(lián)合轉(zhuǎn)子超聲檢測(cè)穿透性

芮守泰　時(shí)立佳　張　超

(中國一重天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

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改進(jìn)預(yù)備熱處理工藝提高單缸聯(lián)合轉(zhuǎn)子超聲檢測(cè)穿透性

芮守泰時(shí)立佳張超

(中國一重天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

結(jié)合經(jīng)典的切斷晶粒遺傳理論，通過小試樣研究結(jié)果對(duì)單缸機(jī)組大直徑高低壓聯(lián)合轉(zhuǎn)子的預(yù)備熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn)，從晶粒細(xì)化的角度出發(fā)，消除雜波，解決了轉(zhuǎn)子預(yù)備熱處理后超聲檢測(cè)可探性偏低的問題。

高低壓聯(lián)合轉(zhuǎn)子；預(yù)備熱處理；晶粒遺傳

高低壓聯(lián)合轉(zhuǎn)子是指在原常規(guī)兩缸或三缸機(jī)組的基礎(chǔ)上改進(jìn)為單缸機(jī)組，將原來的高中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子合成一支高低壓聯(lián)合轉(zhuǎn)子，即聯(lián)合轉(zhuǎn)子具有高壓部分和低壓部分。由于對(duì)發(fā)電效率不斷提高的要求，單缸機(jī)組容量逐漸增大，導(dǎo)致低壓部分和高壓部分軸身截面差越來越大。同時(shí)由于兩部分軸身鍛造變形量和終鍛溫度的差異，致使原始晶粒破碎程度也相差較大，鍛造后低壓部分初始晶粒明顯粗大，常規(guī)預(yù)備熱處理已無法解決其組織遺傳造成的粗晶。

最近兩年一重承制的高低壓聯(lián)合轉(zhuǎn)子低壓部分軸身直徑明顯增大，大多數(shù)鍛件低壓部分毛坯直徑在?1 500mm以上，甚至有部分超過?1 800mm(以前同類產(chǎn)品低壓部分軸身直徑大部分都不超過?1 500mm，而相應(yīng)的高壓部分軸身直徑一般都在900mm～1 200mm范圍內(nèi))。這批轉(zhuǎn)子在采用傳統(tǒng)的兩次正火加回火工藝預(yù)備熱處理后超聲檢測(cè)穿透性差，低壓部分軸身達(dá)到?3mm中心可探而正常發(fā)下序進(jìn)行調(diào)質(zhì)的比例甚至低于30%(見圖1)。個(gè)別鍛件甚至還需要兩次正火返修才能達(dá)到低壓部分中心?3mm可探，造成了生產(chǎn)周期的延長(zhǎng)和成本的增大。鑒于此，優(yōu)化預(yù)備熱處理工藝，在不增加奧氏體化次數(shù)的前提下細(xì)化晶粒、消除雜波，提高聯(lián)合轉(zhuǎn)子預(yù)備熱處理后低壓部分軸身的超聲檢測(cè)穿透性，為此進(jìn)行了模擬熱處理工藝試驗(yàn)。

圖1　預(yù)備熱處理工藝改進(jìn)之前的超聲檢測(cè)情況Figure 1　Ultrasonic testing results before modifyingthe conditioning heat treatment process

1　模擬熱處理工藝實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

采用相變計(jì)算軟件計(jì)算了高低壓聯(lián)合轉(zhuǎn)子材質(zhì)(24Cr2Ni1Mo1V)的等溫轉(zhuǎn)變曲線，如圖2所示。由圖2可以觀察到此材質(zhì)鐵素體平衡轉(zhuǎn)變鼻尖溫度約在650℃。同時(shí)參考24Cr2Ni1Mo1V材質(zhì)的CCT曲線，設(shè)計(jì)的模擬晶粒細(xì)化熱處理曲線如圖3所示。曲線①模擬兩次正火，曲線②模擬正火+退火，曲線③模擬退火+退火。在奧氏體化升溫階段模擬大鍛件加熱升溫，退火冷卻過程中650℃之前采用限速冷卻，650℃之后模擬大鍛件爐冷。

圖2　24Cr2Ni1Mo1V材質(zhì)的等溫轉(zhuǎn)變曲線Figure 2　The isothermal transformationcurve of 24Cr2Ni1Mo1V material

圖4為模擬晶粒細(xì)化熱處理小試樣的晶粒度照片，模擬熱處理之前的原始試樣晶粒度為1.5～2級(jí)。圖4(a)所示晶粒度為2級(jí)，金相組織為貝氏體。圖4(b)所示晶粒度為3級(jí)，少量5級(jí)，金相組織為貝氏體+珠光體+鐵素體。圖4(c)所示晶粒度為3級(jí)，少量6級(jí)，金相組織為貝氏體+珠光體+鐵素體。模擬曲線②相比模擬曲線①晶粒細(xì)化效果要更明顯，模擬曲線②和模擬曲線③晶粒細(xì)化效果差別不大。

(a)曲線①

(b) 曲線②

(c) 曲線③圖3　模擬晶粒細(xì)化熱處理曲線Figure 3　The simulated heat treatment curve for grain refinement

(a)曲線①(b)曲線②(c)曲線③

圖4模擬晶粒細(xì)化熱處理小試樣的晶粒度照片(100×)

Figure4Photosforgrainsizeofsmallspecimenwithsimulatedgrainrefinement

2　生產(chǎn)性驗(yàn)證

根據(jù)模擬晶粒細(xì)化熱處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)實(shí)際預(yù)備熱處理工藝進(jìn)行了改進(jìn)。綜合晶粒細(xì)化效果及實(shí)際工藝的簡(jiǎn)便性及可操作性，改進(jìn)后的預(yù)備熱處理工藝采用模擬曲線②，不同之處為奧氏體化溫度區(qū)間采用功率升溫，同時(shí)根據(jù)鍛件實(shí)際情況確定高溫保溫時(shí)間。

圖5　預(yù)備熱處理工藝改進(jìn)之后的超聲檢測(cè)情況Figure 5　Ultrasonic testing results after modificationof the conditioning heat treatment process

改進(jìn)預(yù)備熱處理工藝后聯(lián)合轉(zhuǎn)子的超聲檢測(cè)情況見圖5。從圖5可觀察到工藝改進(jìn)后的檢測(cè)通過率大幅提高，由改進(jìn)之前的不到30%提高到改進(jìn)后的超過80%。同時(shí)主截面可探性也大幅提高，有將近一半轉(zhuǎn)子預(yù)備熱處理后軸身檢測(cè)靈敏度達(dá)到?2mm。

3　討論

高低壓聯(lián)合轉(zhuǎn)子預(yù)備熱處理后超聲檢測(cè)通過率低的主要原因在于原奧氏體晶粒沒有得到有效

細(xì)化，存在晶粒遺傳現(xiàn)象。高低壓聯(lián)合轉(zhuǎn)子材質(zhì)含較多的Cr、Ni等合金元素，晶粒遺傳傾向嚴(yán)重。由于低壓部分直徑截面大，通過臨界區(qū)加熱時(shí)不可能獲得較快的加熱速度，為粗大的原始奧氏體晶粒的恢復(fù)與遺傳創(chuàng)造了有利條件[1]。在原奧氏體晶粒粗大的情況下，若鋼以非平衡組織(如馬氏體和貝氏體)在一定加熱條件下奧氏體化，新形成的奧氏體晶粒會(huì)繼承和恢復(fù)原始粗大的奧氏體晶粒。如果將這種粗晶有序組織繼續(xù)加熱，延長(zhǎng)保溫時(shí)間，還會(huì)使晶粒異常長(zhǎng)大，造成混晶現(xiàn)象。根據(jù)經(jīng)典的切斷晶粒遺傳機(jī)制(見圖6)，必須在相變過程中引入平衡轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)α相的再結(jié)晶，獲得細(xì)小的碳化物顆粒和鐵素體的整合組織。這些細(xì)小的碳化物和鐵素體交界面為下一次奧氏體化提供了較多的形核質(zhì)點(diǎn)。在原粗大奧氏體晶粒內(nèi)部形成較多新的球形奧氏體，因此原奧氏體晶粒得到了有效細(xì)化。

模擬曲線曲線②和模擬曲線③得到的晶粒度照片與圖6所示的經(jīng)典的切斷晶粒遺傳示意圖非常吻合。在采用退火之后，晶粒細(xì)化效果明顯，同時(shí)沒有觀察到特別粗大的原奧氏體晶粒，這表明組織均勻性也得到了明顯改善。

圖6　經(jīng)典的切斷晶粒遺傳機(jī)制示意圖Figure 6　Sketch of typical grain inheritance mechanism

4　結(jié)論

(1)對(duì)于24Cr2Ni1Mo1V材質(zhì)，采用正火+退火相結(jié)合的預(yù)備熱處理工藝形式，既能得到良好的晶粒細(xì)化效果，提高鍛件的超聲檢測(cè)穿透性，同時(shí)不增加實(shí)際生產(chǎn)操作的難度。

(2)對(duì)于低壓部分毛坯直徑在?1 500mm以上的聯(lián)合轉(zhuǎn)子，在不增加奧氏體化次數(shù)及工期的前提下，相比傳統(tǒng)的預(yù)備熱處理工藝，改進(jìn)預(yù)備熱處理工藝后的超聲檢測(cè)通過率由改進(jìn)之前的不到30%提高到改進(jìn)后的超過80%。

[1]康大韜，葉國斌.大型鑄鍛件材料及熱處理[M].北京：龍門書局,1998.

編輯杜青泉

ImprovingUltrasonicTestingPenetrabilityofCombinedRotorbyModifyingConditioningHeatTreatmentProcess

RuiShoutai,ShiLijia,ZhangChao

Bycombiningthetypicalpreventinggraininheritancetheory,theconditioningheattreatmentprocessofhighandlowpressurecombinedrotorwithlargediameterforsinglecylinderunithasbeenmodifiedaccordingtotheresearchresultsofsmallspecimens.Intheaspectofgrainrefinement,thelowerdetectabilityofultrasonictestingfortherotoraftertheconditioningheattreatmentcanbesolvedbyeliminatingtheclutter.

highandlowpressurecombinedrotor;conditioningheattreatment;graininheritance

2016—04—19

TG156B