700℃超超臨界機組用鎳基合金轉(zhuǎn)子鍛件制造過程中常見問題解析

李亞輝 聶義宏

(中國第一重型機械股份公司，黑龍江161042)

700℃超超臨界機組用鎳基合金轉(zhuǎn)子鍛件制造過程中常見問題解析

李亞輝 聶義宏

(中國第一重型機械股份公司，黑龍江161042)

介紹了700℃超超臨界機組汽輪機用大型鎳基合金鍛件制造過程中的常見問題，分析了冶煉、鍛造及熱處理工藝過程中的技術(shù)難點，以期獲得高質(zhì)量的鎳基合金鍛件產(chǎn)品。

700℃超超臨界機組；鎳基合金；轉(zhuǎn)子鍛件；冶煉偏析；組織均勻性

在未來的20年內(nèi)，我國電力結(jié)構(gòu)還主要依賴于火力發(fā)電的供應(yīng)途徑。先進超超臨界燃煤火力發(fā)電、新型重型燃氣輪機技術(shù)的廣泛應(yīng)用能夠提高火力發(fā)電的熱效率，既滿足能源需求、解決燃煤排放造成的環(huán)境問題，又帶來了巨大的經(jīng)濟效益。隨著蒸汽參數(shù)提高到700℃以及新一代燃氣輪機透平輪盤高性能的要求，鎳基合金鍛件的研制是目前國際上大型鑄鍛件新產(chǎn)品研究開發(fā)的熱點和重點[1-3]。德國薩爾公司采用電渣重熔工藝成功冶煉出質(zhì)量良好的38 t鎳基合金鑄錠，并獲得了世界上最大的30 t級鎳基合金鍛件[3]。

我國在此領(lǐng)域的研究起步較晚，由于700℃以上的先進超超臨界機組汽輪機用大型鑄鍛件備選材料為鎳基或鐵鎳基合金，突破傳統(tǒng)范圍的耐熱鋼，其研制難度大，成本很高。將來中國推廣700℃超超臨界火力發(fā)電站將不能依賴于國外進口，必須實現(xiàn)大型鎳基合金鑄鍛件國產(chǎn)化。因此，國家能源局高度重視我國在700℃先進超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)工作，急需開發(fā)700℃以上先進超超臨界火力發(fā)電汽輪機用鎳基合金鑄鍛件的材料和加工技術(shù)。2010年在能源局的組織下成立了700℃超超臨界燃煤火力發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，共19家單位聯(lián)合攻關(guān)研制10 t級鎳基合金鑄鍛件。

由于鎳基合金含有大量的合金元素，雖然具有良好的高溫耐腐蝕性能，但具有冶煉偏析嚴重、導熱性差、可鍛性溫度區(qū)間窄、變形抗力大以及超聲檢測困難等特點，產(chǎn)品大型化發(fā)展受到制約。近幾年，本課題組一直致力于大型鎳基合金鍛件制造技術(shù)的研究工作[5-9]。本文闡述了大型鎳基合金鍛件冶煉、鍛造及熱處理過程的難點問題并進行了系統(tǒng)分析。

1 冶煉鑄錠

目前高溫合金的熔煉大多采用雙聯(lián)工藝。其中，一次熔煉的主要目的是獲得所要求的化學成分，二次重熔是為了進一步降低合金中的氣體、夾雜物含量，而且通過重熔的特殊結(jié)晶過程可得到組織致密均勻、成分均勻無冶金缺陷的錠材。由于母材熔煉的質(zhì)量對合金最終性能有著非常重要的影響，所以逐漸用大型真空感應(yīng)爐取代電弧爐熔煉母材。目前普遍采用的鎳基合金熔煉工藝是真空感應(yīng)爐與真空自耗爐雙聯(lián)工藝以及真空感應(yīng)爐與電渣重熔爐的雙聯(lián)工藝。隨著鎳基合金鑄錠直徑的增加，采用雙聯(lián)或三聯(lián)工藝冶煉鎳基合金鑄錠才能使鑄錠組織致密，抑制冶金缺陷，提高熱加工性。

(a)真空感應(yīng)熔煉鑄錠(b)電渣鑄錠

圖1 GH706合金鑄錠的低倍形貌

Figure 1 The microstructure of GH 706 alloy ingot

圖2 GH706合金偏析缺陷的掃描電鏡照片F(xiàn)igure 2 SEM photos of segregation defects of GH706 alloy

例如，傳統(tǒng)的鐵鎳基合金GH706屬于γ′相和γ′′相強化合金，由于合金中鐵含量較高，其鍛造性能優(yōu)異，適合用于大型部件的制作。但是，由于其含有較高的易偏析元素如Nb、Ti等，在冶煉過程中易產(chǎn)生宏觀成分偏析缺陷。本文采用真空感應(yīng)熔煉150 kg級GH706合金鑄錠，鑄錠直徑為140 mm，鑄錠的低倍形貌如圖1(a)所示?？梢钥闯觯捅稒z測面存在明顯的宏觀成分偏析，即圖1(a)中黑色條帶組織。采用掃描電鏡可觀察到一定量的黑色條形偏析缺陷，見圖2?？梢姡撕辖鸬牧鸭y型缺陷附近存在許多暗灰色條狀物，根據(jù)能譜的面掃分析結(jié)果，可知其富集Nb、Ti、Al等元素，產(chǎn)生了Nb、Ti和Al元素的偏析缺陷。

將此鑄錠作為電極進行電渣重熔后獲得直徑為230 mm的鑄錠，其低倍形貌見圖1(b)。雖然電渣重熔鑄錠直徑比真空感應(yīng)鑄錠大80 mm，但其觀察面上未出現(xiàn)宏觀成分偏析缺陷。經(jīng)過電渣重熔二次熔煉后，消除了宏觀成分偏析缺陷，獲得了致密、均勻的鑄錠組織。

另外，亦有報道指出，通過成分優(yōu)化，即降低Nb含量，提高Al含量，既可降低GH706合金鑄錠冶煉偏析缺陷，又可使合金在700℃具有良好的組織穩(wěn)定性[5]。通過上述成分優(yōu)化設(shè)計，日本的日立公司委托日本制鋼所(JSW)冶煉了冶金質(zhì)量良好的20 t級Inconel 706合金鑄錠，并成功地獲得10 t級鐵鎳基合金鍛件[4]。

2 鍛造

鎳基合金是單一奧氏體組織，沒有固態(tài)相變。不能通過后續(xù)性能熱處理調(diào)整鍛件的晶粒尺寸，鍛造過程的組織控制尤為關(guān)鍵。另外，由于鎳基合金的變形抗力大，特別是當鑄錠表面溫度降至終鍛溫度以下，變形抗力急劇增大，易產(chǎn)生表面開裂現(xiàn)象。因此，鎳基合金在鍛造過程關(guān)鍵控制點有兩個：一是成形性控制，即防止熱裂(圖3)和冷裂的發(fā)生；另一個是鍛件組織均勻性控制，通過控制溫度、火次、應(yīng)變速率、變形量等工藝參數(shù)獲得徑向組織均勻性較好的鍛件。在設(shè)計鎳基合金的鍛造工藝時，必須明確以下幾個操作要領(lǐng)：鍛前加熱、均勻化、溫度、火次、應(yīng)變速率、變形量、冷卻方式等。

鍛前加熱工藝對鎳基合金鍛造影響很大，由于鎳基合金導熱性差，當大截面的鑄錠快速加熱時，沿軸向中心產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，當超過合金該狀態(tài)的抗拉強度時，則沿橫截面出現(xiàn)炸裂。另外，由于鎳基合金的熱導率隨溫度的升高而增大，僅當溫度達到800℃時，熱導率才接近合金結(jié)構(gòu)鋼。因此，鎳基合金鑄錠需要低溫裝爐，緩慢升溫至800～900℃，保溫后再快速加熱至均勻化溫度。以一種Inconel 617合金小鑄錠鍛造為例，由于鍛前加熱工藝沒有考慮到鎳基合金特性，未在800℃以下控制加熱速率，導致鑄錠在開坯初期錠身中部出現(xiàn)炸裂。對未裂開的部分繼續(xù)鍛造成方坯，切開后仍然可觀察到心部存在放射狀裂紋，這都是由于鍛前加熱不當造成的。

需指出的是，由于節(jié)約成本以及未正確認識合金的特性等原因，在鍛前加熱工藝中，均勻化處理常常被忽視了，然而均勻化處理對鎳基合金鍛造是非常有利的。鑄錠在高溫下進行均勻化處理可以減輕甚至消除偏析，從而避免由于偏析而導致的不均勻再結(jié)晶行為。

(a)鑄錠表面橫向裂開

(b)鍛成方坯后切開的橫截面 圖3 鎳基合金在鍛造開坯過程出現(xiàn)的熱裂現(xiàn)象Figure 3 The hot tearing of Ni-base alloy appeared during the billet forging process

對于鎳基合金，鍛造溫度應(yīng)高于γ′相的溶解溫度。雖然γ′相是鎳基合金的最重要的析出強化相，但是在鍛造過程中析出可導致變形抗力急劇增加而產(chǎn)生冷裂(圖4)。當鍛件表面溫度降至約850℃時，隨著砧臺的每次壓下，鍛件表面均出現(xiàn)裂紋。

圖4 Inconel617合金Figure 4 Inconel617 alloy

在鍛件晶粒度控制方面，需根據(jù)鎳基合金的塑性圖、再結(jié)晶行為等技術(shù)數(shù)據(jù)，精確控制鍛造過程中溫度、變形速率、變形量、火次等鍛造參數(shù)，才能獲得晶粒尺寸均勻的細晶鍛態(tài)組織。當然，混晶組織或粗晶組織并不是鍛件不合格的原因，但是這種組織能夠影響超聲檢測時檢出小尺寸缺陷的能力。另外，對于鎳基合金最后一火次的鍛造，必須使鍛件的橫截面積減少量超過此合金的臨界變形量，才能避免在后續(xù)的熱處理過程中出現(xiàn)局部晶粒擇優(yōu)長大的現(xiàn)象。

固溶強化的鎳基合金鍛件鍛后通常采用空冷處理，而有些沉淀硬化型鎳基合金鍛后應(yīng)快速冷卻，即采用水冷。因為空冷過程中鍛件內(nèi)部冷卻較慢，易產(chǎn)生時效組織。

3 熱處理

鎳基合金是單一奧氏體組織，在熱處理過程中沒有固態(tài)相變發(fā)生。因此，要求轉(zhuǎn)子用鎳基合金鍛件鍛后組織細小均勻。采用合理的性能熱處理工藝，鍛件晶粒度要求控制在2～4級，能夠具有良好的高溫持久和蠕變性能，適于長期高溫條件下工作，滿足700℃超超臨界火力發(fā)電蒸氣機轉(zhuǎn)子的使用性能要求。

鍛件的晶粒度主要取決于固溶溫度和保溫時間，即晶粒長大與晶界上析出相溶解相關(guān)，溫度升高及保溫時間延長均促使析出相的溶解，析出相溶解越多，晶粒長大就越迅速。圖5為1.5 t 617合金鍛件鍛態(tài)組織形貌?？梢姡瑢τ谥睆絻H為300 mm的鎳基合金鍛件，盡管鍛后采用快速冷卻處理，鍛件心部的晶粒尺寸為7級，仍明顯高于其它部位。隨著鎳基合金鍛件截面的增加，其徑向不同位置的鍛態(tài)組織差異越來越大，因此制定合理的固溶溫度、保溫時間及高溫階段的緩冷速度等固溶處理工藝參數(shù)，才能確保鍛件組織和性能的均勻性。

圖5 直徑為300 mm的鎳基合金鍛件截面徑向不同位置組織形貌Figure 5 The microstructure of radial cross section of Ni-base alloy forgings on different locations with the diameter of 300 mm

圖6 TEM觀察617合金熱處理后的γ′相析出形貌Figure 6 The observed appearance of γ′ phase precipitation of 617 alloy after heat treatment process by TEM

固溶處理后的冷卻速度也是一個非常重要的參數(shù)。除了對鍛件晶粒度的影響外，通過冷卻速度的控制，還可以獲得一個過飽和固溶體的基體組織，在后續(xù)的熱處理過程有利于時效強化相的析出。鎳基合金的主要強化相是γ′相，主要成分為Ni3(Al,Ti)。鋁、鈦等元素在過飽和固溶體中存在微觀偏析，其偏析程度取決于合金成分和固溶后的冷卻速度。在后續(xù)的時效處理或高溫使用過程中，Al、Ti富集區(qū)域析出一定量的Ni3(Al,Ti)強化相。冷卻太快，過飽和固溶體中的富鋁、鈦區(qū)域變小、變少。因此，對于含鋁、鈦量較低的鎳基合金如617合金，固溶后的冷卻速度對γ′相的析出影響較大。

圖6為TEM觀察617合金熱處理后的γ′相析出形貌。在固溶處理后空冷的試樣中觀察到明顯的γ′相析出，見圖6(a)。在相同的固溶溫度下保溫2 h后，以4 K/min速度冷卻至700℃的過程中析出一定量納米尺寸的球狀γ′相，見圖6(b)。因此，對于617合金大截面鍛件，需考慮鍛件內(nèi)部不同位置冷卻速度導致的析出相分布不均勻的問題。

對于汽輪機轉(zhuǎn)子鍛件而言，長期時效過程中組織的穩(wěn)定性已成為評價鎳基高溫合金的重要指標。長期時效過程中會發(fā)生γ′相的少量回溶，或轉(zhuǎn)變?yōu)棣欠€(wěn)定相。γ′相聚集長大的傾向性對鎳基合金長期使用性能有重大影響。圖6(c)為617合金性能熱處理后在700℃時效5000 h后的顯微組織。可見，經(jīng)過長期時效處理后，γ′相尺寸增大、數(shù)量明顯減少。這是由于617合金中Ti和Al含量低，Ti+Al和僅為1.5%(Al含量為1.0%，Ti含量為0.5%)，在時效處理過程中，小尺寸的γ′相溶解，回熔的Al、Ti擴散到大尺寸γ′相周圍，聚集長大。

在γ′相強化的鎳基合金中，一般來說，Ti/Al比高容易長大。另外固溶體中含有較多的鈷、鎢、鉬、鈮等元素時能減少擴散系數(shù)，提高γ′相穩(wěn)定相。為了提高鎳基合金鍛件的高溫使用性能，在成分優(yōu)化方面，可以考慮調(diào)整合金的Ti/Al比值及適當提高鈷、鎢、鉬、鈮等元素含量。

4 結(jié)語

經(jīng)過幾年的研究開發(fā)，目前已掌握了5 t級617鎳基合金鍛件的關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)過精細控制鍛造工藝參數(shù)成功地鍛造了直徑為620 mm的鎳基合金鍛件。此鋼錠的材料利用率可達80%，鍛件徑向晶粒度可控制在4～6級，超聲檢測靈敏度為?1.6 mm～2.5 mm。

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編輯 杜青泉

Analysis on Common Problems of Ni-base Alloy Rotor Forgings for700℃ Ultra Supercritical Unit During Manufacturing Process

Li Yahui, Nie Yihong

The common problems of heavy Ni-base alloy rotor of steam turbine used for 700℃ ultra supercritical unit during the manufacturing process have been introduced. Meanwhile, the technical difficulties appearing in the smelting process, forging process and heat treatment process have been analyzed, so as to produce the Ni-base alloy forgings with high quality.

700℃ ultra supercritical unit; Ni-base alloy; rotor forging; smelting segregation; microstructure uniformity

2016—11—11

TG316

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