2Cr11Mo1VNbN圍帶滾彎斷裂分析

洪陽東 武彥榮 黃有為 劉 鵬 向 沖 梁 剛

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電力需求也相應(yīng)增大，對亞臨界、超臨界、超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組的需求也相應(yīng)增大。亞臨界和超臨界汽輪機(jī)葉片與圍帶對材料的強(qiáng)度要求特別高。為滿足強(qiáng)度要求，2Cr11Mo1VNbN馬氏體不銹鋼主要用于汽輪機(jī)的葉片與圍帶等重要部件[1]。1Cr13材質(zhì)的馬氏體不銹鋼，由于回火組織在高溫條件下穩(wěn)定性不好，故在1Cr13型馬氏體鋼中加入Mo、V、Nb、N等合金元素，使它比Cr12型鋼常用溫度提高100℃，成為耐熱型鋼中綜合性能最佳的鋼種之一。2Cr11Mo1VNbN圍帶采用等離子水下切割后再滾彎成型。在滾彎成型的過程中，經(jīng)常出現(xiàn)斷裂。

1 試驗(yàn)方法

以板厚16 mm以上2Cr11Mo1VNbN圍帶生產(chǎn)過程中出現(xiàn)斷裂的鋼板為研究對象，截取試樣，利用S-3400N型掃描電鏡和拉伸試驗(yàn)機(jī)對斷裂斷口組織形貌及拉伸性能進(jìn)行觀察并分析，找出2Cr11Mo1VNbN圍帶滾彎斷裂的原因，并研究出預(yù)防2Cr11Mo1VNbN圍帶滾彎發(fā)生斷裂的工藝。

2 工藝流程

圍帶下料尺寸4509 mm(長度)×113 mm(寬度)×16 mm(厚度)，工藝流程為：下料(等離子切割)→滾彎→拼焊成整圓。

3 圍帶滾斷斷口的宏觀形貌

某汽輪機(jī)圍帶(板厚16 mm)采用等離子水下切割后滾床直接滾彎成型，該滾彎過程中圍帶經(jīng)常發(fā)生直接滾斷現(xiàn)象。圍帶斷口的宏觀形貌見圖1。從宏觀上看，圍帶斷口朝1個方向撕裂，并不存在脆斷的現(xiàn)象，在圍帶起始斷裂的位置有1個凸點(diǎn)，初步判斷斷裂為非脆性斷裂。

圖1 圍帶斷口宏觀形貌Figure 1 Macro morphology of shroud fracture

4 圍帶滾斷斷口化學(xué)成分及微觀形貌

4.1 圍帶滾斷斷口化學(xué)成分分析

表1 2Cr11Mo1VNbN化學(xué)成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 2Cr11Mo1VNbN (Mass, %)

通過測定化學(xué)成分，2Cr11Mo1VNb圍帶滾斷斷口化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，具體見表1。

4.2 力學(xué)性能測試

4.2.1 圍帶硬度測試

對圍帶滾斷斷口位置進(jìn)行硬度檢測，結(jié)果如圖2所示。根據(jù)硬度測試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)圍帶內(nèi)側(cè)與外側(cè)硬度均勻。

(a)圍帶外側(cè)

4.2.2 圍帶常溫力學(xué)性能

由于圍帶在滾彎過程中發(fā)生斷裂，對圍帶取圓形拉伸試樣，檢驗(yàn)鋼板力學(xué)性能，各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)均符合要求。2Cr11Mo1VNbN力學(xué)性能如表2所示。

表2 2Cr11Mo1VNbN力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of 2Cr11Mo1VNbN

4.2.3 金相組織分析

對圍帶切割線附近區(qū)域的圍帶外表面進(jìn)行金相組織觀察，被水下等離子切割后的部位組織發(fā)生嚴(yán)重變化。切割線邊緣顯微組織如圖3所示，1區(qū)為靠近切割邊緣部分，大部分為切割產(chǎn)生的飛邊。顯微組織如圖4所示，1區(qū)組織類似鑄態(tài)組織；2區(qū)為熔合區(qū)，組織形態(tài)類似于針狀馬氏體組織；3區(qū)為正常圍帶，是未受到影響區(qū)域的顯微組織，該組織類似于板條狀馬氏體。

通過顯微鏡觀察時，發(fā)現(xiàn)1區(qū)附近還出現(xiàn)類似裂紋的缺陷組織，缺陷寬度約0.2 mm。將裂紋放大到500倍，發(fā)現(xiàn)裂紋有一定的深度，幾條裂紋距離很近，并有再次擴(kuò)展的趨勢。1區(qū)斷口顯微組織如圖5所示。

圖3 切割線邊緣顯微組織(×100)Figure 3 Microstructure of cut edge(×100)

同時，對2區(qū)進(jìn)行觀察時，也發(fā)現(xiàn)類似斷口的裂紋，如圖6所示，裂紋比1區(qū)更隱蔽。

5 斷裂原因分析

通過以上分析，得出以下幾點(diǎn)是造成圍帶成型時斷裂的原因：

(1)圍帶的棱邊具有較高的應(yīng)力集中，是造成圍帶斷裂的原因之一。水下等離子切割下料后，在棱邊位置呈現(xiàn)90°直角，角度尖銳。熔化后的金屬在切割底面形成毛邊，應(yīng)力集中度進(jìn)一步增大。

(2)水下等離子切割下料工藝也是造成斷裂的原因之一。水下等離子切割時，切割面的金屬熔化后又快速凝固，水中冷卻速度極快，又因材料淬硬性高，切割面再凝固的金屬表面易殘留顯微裂紋，成為裂紋源。該裂紋源極易發(fā)生在切割殘留的毛邊位置。

(3)水下等離子切割后，材料表面的淬硬層的硬度高，塑性差，在表面形成200～700 μm淬硬層彎曲過程中，使圍帶斷裂。

6 改進(jìn)工藝

通過查閱資料，可以通過以下兩個措施進(jìn)行預(yù)防：

(1)提高淬硬層的塑性，降低硬度。對圍帶進(jìn)行回火處理，回火溫度控制在680～720℃[2]?；鼗鹂梢韵碌入x子切割時產(chǎn)生的針狀淬火馬氏體的影響，使針狀馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，降低淬硬層表面的硬度，并提高組織塑韌性。回火后顯微組織如圖7所示?？梢钥闯?，回火后金相組織均為回火馬氏體。晶粒度為4～6級。

(a)1區(qū)(b)2區(qū)(c)3區(qū)

圖4 顯微組織(×500)Figure 4 Microstructure (×500)

圖5 1區(qū)斷口顯微組織Figure 5 Microstructure of fracture at 1division

圖6 2區(qū)斷口顯微組織Figure 6 Microstructure of fracture at 2 division

圖 7 回火后顯微組織
Figure 7 Microstructure after tempering

(2)因切割殘留毛邊的應(yīng)力集中度高，易形成裂紋源的原因，因此應(yīng)規(guī)范成型操作，避免該側(cè)受拉應(yīng)力。在對圍帶彎曲前，將毛邊側(cè)朝上放置，使飛邊彎曲時受壓，避免切割時產(chǎn)生的裂紋因受到拉應(yīng)力而擴(kuò)展。

7 結(jié)論

(1)2Cr11Mo1VNbN圍帶滾彎斷裂原因是等離子切割時，產(chǎn)生淬硬組織，在彎曲時由于受拉應(yīng)

力，容易發(fā)生裂紋的擴(kuò)展，發(fā)生斷裂。

(2)2Cr11Mo1VNbN圍帶在等離子切割后，對圍帶進(jìn)行回火處理，回火溫度680～720℃，回火將水下等離子切割時產(chǎn)生的淬火馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，降低淬硬層表面的硬度，并提高組織韌性。

[1] 佐輝，崔海霞. 汽輪機(jī)葉片用鋼2Cr11MoVNbN的研制開發(fā). 特鋼技術(shù)，2007，13(2)：1-3.

[2] 劉雙明，楊勇，劉仁君. 汽輪機(jī)隔板鍛件2Cr11MoVNbN 鋼熱處理工藝. 東方電氣評論，2012(2):18-21.