超超临界汽轮机转子锻后热处理工艺研究

超超临界汽轮机转子锻后热处理工艺研究

中国是一个生产煤炭的大国，热能发电是主要的发电方式。超超临界发电机组具有能耗小、效率高、低排放等优点,发展超超临界机组将是我国清洁煤发电技术的主要发展方向,也是解决电力短缺、能源利用率低和环境污染严重等问题的最现实和最有效的途径。大容量、高参数燃煤机组超超临界机组的关键技术是多方面的,在设计和制造上都有高难技术,而开发热强性高、工艺性好且价格低廉的材料是最关键的问题。目前,国外(尤其是日本、德国)对该种机组材料的开发研制、制造能力和水平均处于领先地位,而我国对新型耐热钢的研究远落后于发达国家。发达国家在材料上的研究和制造的垄断状况势必对我国未来的电站汽轮机技术发展、产品的成本和市场占有率产生负面影响。近年来,由于国内电力供应矛盾突出,大容量、高参数的超超临界发电机组得到了大力发展,目前,我国已具备制造百万千瓦超超临界汽轮发电机组成套设备的能力。国内一重、二重、上重等重机厂抓紧开展百万千瓦超超临界汽轮机转子的研制,但因没有掌握超超临界转子大锻件的性能控制技术,以致于制造盲目性很大。Cr含量(质量分数)为9%～12%的铁素体耐热钢因其低成本、强韧性能高、抗蠕变性能好、抗氧化和抗腐蚀性能良好,以及高的抗热疲劳性能,越来越广泛地应用于超超临界发电机组,以实现高效、节能、环保的目的。为了充分发挥该钢种的潜能,使工艺设计更科学,本文阐述了X12CrMoWVNbN10-1-1钢超超临界转子锻后热处理工艺制定的原理及依据,并将该工艺应用于实际生产制造过程,获得了良好的效果。1.研究制定材料中的ttt曲线为了得到较均匀与细小的晶粒,除冶炼、浇铸、锻造应采取适当的措施外,主要应在热处理中努力。大锻件的锻后热处理,又称第一热处理或预备热处理,通常是紧接在锻造过程完成之后进行的。对于组织遗传严重的锻件,可以采取提高α→γ相变区加热速度,多次正火或等温过冷奥氏体等热处理工艺进行细化晶粒。超超临界转子锻件尺寸大,而且为了避免热处理过程中出现过大的内应力甚至裂纹,需要缓慢地加热与冷却,所以很难通过加热速度以及冷却速度来控制锻件的晶粒大小。而由于本锻件锻后正火易开裂,因此不允许多次正火。相关文献对奥氏体晶粒长大过程的研究表明,X12CrMoWVNbN10-1-1钢的扩散型转变组织再经过重新加热奥氏体化后,只要有合适的加热温度和保温时间是可以细化晶粒,而且也能使锻件切削加工性能达到要求。因此,我们在制定超超临界转子锻后热处理工艺时,采用等温过冷奥氏体使其产生扩散型相变组织,以切断组织遗传的方式控制晶粒大小,制定的锻后热处理工艺如图1所示。通过试验测定了X12CrMoWVNbN10-1-1钢的TTT曲线,如图2所示。由曲线可得,该钢种C-曲线鼻温在680～720℃之间,在该温度处,过冷奥氏体最不稳定,孕育期较短,转变速度较快。故制定该钢种转子锻后热处理工艺时,将工件定在过冷奥氏体等温转变温度680～720℃范围内保温,通过在该温度处的长时间等温处理以获得扩散型相变产物,即铁素体+碳化物的混合组织,以切断非扩散型相变组织导致的遗传,为后续热处理获得合适的晶粒度打下基础。实际操作时,如考虑大锻件的成分偏析问题,可使热处理温度在一定范围内连续波动,会更符合工件的实际转变情况。工件在680～720℃长时间等温后,将使锻件获得完全珠光体组织,但原奥氏体晶粒度非常不均匀且局部粗大,给锻后热处理结束后的超声波探伤带来困难。为获得均匀细小的组织,解决转子锻件热处理后的超声波探伤问题,热处理时在第一次680～720℃长时间等温后加一道高温奥氏体化过程。相关研究表明,X12CrMoWVNbN10-1-1钢在1050℃以下温度保温可获得细小均匀的奥氏体晶粒尺寸,因此,将该奥式体化温度定在1010～1050℃之间。转子锻件经在1010～1050℃奥氏体化后组织将会细化,后续在680～720℃间的平衡转变完成时间相应变短。该工艺曲线经过模拟验证可行。2.转子热处理效果分析X12CrMoWVNbN10-1-1钢超超临界转子锻后热处理的主要目的是:(1)消除热应力,降低锻件的表面硬度,提高其切削加工性能,这是锻造热处理最直接和最初的目的。(2)调整和改善大锻件在锻造过程中所形成的过热与粗大组织,细化钢的奥氏体晶粒。(3)提高锻件的超声波探伤性能,消除草状波,使得锻件中的各种内部缺陷都能够较清晰地显示出来,以杜绝不合格锻件向下道工序的转移。为达到上述目的,对实际生产超超临界转子执行图1所示的锻后热处理工艺。粗加工后对转子锻件进行超声波探伤,检测灵敏度为φ1.0～φ1.5mmFBH,可见晶粒细化效果较好。转子锻件锻后热处理后毛坯件及粗加工后实物如图3所示。此外,我们对热处理后的转子锻件取样,进行显微组织观察与分析。由图4可见,转子锻件经锻后热处理,获得扩散型相变产物铁素体加碳化物,组织中未发现非扩散相变组织(马氏体、贝氏体)存在,非扩散型相变组织导致的遗传已被切断。图4a、图4b分别为转子心部组织和表面组织,两者晶界处皆存在网状碳化物,且在原奥氏体晶粒内部都存在颜色深浅程度不同的块状组织。转子表面组织中的晶粒尺寸及晶粒内的块状尺寸明显小于心部组织处的。相关研究表明,在块状内部分布着碳化物,不同区域内碳化物粗细和密集程度相差甚远,且分布不均匀。在光学显微镜下对转子锻后组织进行放大观察,如图4c、图4d所示,在原奥氏体晶界及晶粒内不同块与块交界处都有链状碳化物分布,晶粒内部分布较多颗粒状碳化物,晶界附近碳化物聚集成冷杉树状形貌,并向原奥氏体晶粒内部延伸。晶界附近碳化物数量很多,越往原奥氏体晶粒内部颗粒状碳化物数量越少。我们对经锻后热处理的转子心部试样进行了模拟淬火处理,试样在1050～1080℃保温25h后淬火,得到图5所示组织。从扫描组织可见,试样经1050～1080℃保温淬火后,得到完全淬火态马氏体组织,锻后热处理组织中的链状及颗粒状碳化物基本固溶于基体,原奥氏体晶界处无任何扩散型相变组织存在,试样晶粒度为3级。可见转子锻件经上述锻后热处理,可为后续的性能热处理提供良好的基础组织。3.试验结果分析本文以X12CrMoWVNbN10-1-1钢的TTT曲线为理论依据,结合实际生产情况并考虑热处理效率问题,制定了X12CrMoWVNbN10-1-1钢超超临界转子锻后热处理工艺。经试验验证该工艺的可行性后应用于超超临界转子的实际生产过程。生产过程中对转子锻件进行取样操作,分析转子锻件经上述工艺处理后的显微组织及该组织对后续性能热处理的影响。由上述试验及分析结果可得:(1)超超临界转子在680～720℃长时间等温后,可获得扩散型相变产物,即铁素体+碳化物的机械混合物,非