汽轮机叶片用2Cr11Mo1VNbN钢晶粒细化技术
2022-06-08
引言
叶片是汽轮机关键零部件之一，要求精确的几何外形，良好的理化性能是确保安全高效运行的内在保证。随着技术的发展和要求的提高，叶片材料晶粒度问题也成为关注的重点，以在保证综合的理化性能要求。
在部分项目制造过程中，晶粒度检验理化指标出现晶粒低于技术要求，甚至出现宏观粗晶现象，集中表现为批量性问题，为避免粗晶问题带来报废，曾采取传统的退火工艺和重新锻造改善进行晶粒细化，组织遗传比较突出，效果一直不理想。为此，从热处理工艺细化方法方面，采取双重淬火进行晶粒细化试验研究。
1.试验材料
本次试验材料选取在鉴定出粗晶的叶片试验，状态为900～920℃退火、1080～1100℃调质后检测出的粗晶叶片，从叶片中间切取50×80×100试样4件，试验材料及化学成分如下表：
表12Cr11Mo1VNbN钢化学成分(Wt.%)
2.试验方法
2.1检测试验材料初始晶粒度
为获得试验材料的原始晶粒度，首先将上述50×80×1004件试样在金相显微镜下检测晶粒度级数，作为晶粒细化前的参照，试验检测结果见表2。
表2试验材料初始晶粒检测结果
金相组织为回火索氏体，能明显看到细片状铁素体之间弥散分布着颗粒状渗碳体，但晶粒之间仍然保持着马氏体的位向关系，马氏体束之间的大角度位向也清晰可见，晶粒度3-4级。
2.2晶粒细化试验方案
在切取经过晶粒检测的4件50×80×100的8件试样中随机挑选4件，考虑到试验件较小，在试验炉底部采取耐热砖与炉底隔离，采用连续两次淬火进行晶粒细化试验，淬火工艺制度为：
一次淬火：1080℃×0.5H，油淬
二次淬火：1080℃×1.0H，油淬
以检验连续两次淬火对金属材料晶粒的细化作用，淬火后不进行回火直接在金相显微镜下观察，晶粒均得到一定程度的细化，试验结果见表3。
表3两次淬火状态下晶粒检测结果
从金相组织中可以清晰地看到板条马氏体形态，对比连续二次淬火前后的金相组织，也可以看出二次淬火后晶粒更细小。
在第一次试验的基础上，调整一次淬火温度，时间适当延长，对试验对象采取整套工艺流程进行全部试验，同时对材料检验指标按照汽轮机叶片的验收标准进行，试验工艺及结果为：
一次淬火：1080℃×1.0H，油淬
二次淬火：1080℃×1.0H，油淬
一次回火：680℃×6.0H，空冷至室温
二次回火：660℃×6.0H，空冷
鉴于以上试验取得的成果，考虑到金相检测区域小，可能存在局部粗晶干扰试验结果，课题组将试验和检测部位进行缩小，将GS20101217检验过程中检测出的粗晶金相试样进行晶粒细化试验，将试验和检测区域限制在10×10范围内，并进行全平面晶粒度检查。
试验：
一次淬火1080℃×10min，油淬
二次淬火1080℃×10min，油淬
试验结果见表4、图1：
金相显示细化明显：
图1金相试样两次淬火前后金相组织
（a）二次淬火前3级（100X）；（b）二次淬火7级（100X）
（c）二次淬火前3级（500X）；（d）二次淬火7级（500X）
批量试验结果
粗晶叶片：1080℃×到温0min，油淬680-660
3.结论
叶片是汽轮机中数量和种类最多的关键零件，其型线结构和工作状态直接影响能量的转换效率，因此其设计、制造要求非常高。上文笔者根据金属相变原理，在效地对形核方式和晶粒长大进行了控制，对晶粒粗大叶片进行双重淬火细化技术处理，打破了粗晶问题传统处置模式，成功地获得了较细晶粒和良好的力学性能，填补了公司当前粗晶补救技术空缺，希望本文可以对强韧化处理方面带来一些有用的启迪，为同行提供借鉴意义。
参考文献：
[1]于红英，唐德威，伞红军．汽轮机叶片参数化设计关键技术研究[J]．计算机集成制造系统，2006(10).
［2］胡仁喜，康士廷，等．Pro/ENGINEERWildfire4.0中文版标准实例教程[M]．北京：机械工业出版社，2009．
[3]潘毅，章泳健．汽轮机叶片的三维几何造型方法综述[J]．汽轮机技术，2010（06）。
叶片是汽轮机关键零部件之一，要求精确的几何外形，良好的理化性能是确保安全高效运行的内在保证。随着技术的发展和要求的提高，叶片材料晶粒度问题也成为关注的重点，以在保证综合的理化性能要求。
在部分项目制造过程中，晶粒度检验理化指标出现晶粒低于技术要求，甚至出现宏观粗晶现象，集中表现为批量性问题，为避免粗晶问题带来报废，曾采取传统的退火工艺和重新锻造改善进行晶粒细化，组织遗传比较突出，效果一直不理想。为此，从热处理工艺细化方法方面，采取双重淬火进行晶粒细化试验研究。
1.试验材料
本次试验材料选取在鉴定出粗晶的叶片试验，状态为900～920℃退火、1080～1100℃调质后检测出的粗晶叶片，从叶片中间切取50×80×100试样4件，试验材料及化学成分如下表：
表12Cr11Mo1VNbN钢化学成分(Wt.%)
2.试验方法
2.1检测试验材料初始晶粒度
为获得试验材料的原始晶粒度，首先将上述50×80×1004件试样在金相显微镜下检测晶粒度级数，作为晶粒细化前的参照，试验检测结果见表2。
表2试验材料初始晶粒检测结果
金相组织为回火索氏体，能明显看到细片状铁素体之间弥散分布着颗粒状渗碳体，但晶粒之间仍然保持着马氏体的位向关系，马氏体束之间的大角度位向也清晰可见，晶粒度3-4级。
2.2晶粒细化试验方案
在切取经过晶粒检测的4件50×80×100的8件试样中随机挑选4件，考虑到试验件较小，在试验炉底部采取耐热砖与炉底隔离，采用连续两次淬火进行晶粒细化试验，淬火工艺制度为：
一次淬火：1080℃×0.5H，油淬
二次淬火：1080℃×1.0H，油淬
以检验连续两次淬火对金属材料晶粒的细化作用，淬火后不进行回火直接在金相显微镜下观察，晶粒均得到一定程度的细化，试验结果见表3。
表3两次淬火状态下晶粒检测结果
从金相组织中可以清晰地看到板条马氏体形态，对比连续二次淬火前后的金相组织，也可以看出二次淬火后晶粒更细小。
在第一次试验的基础上，调整一次淬火温度，时间适当延长，对试验对象采取整套工艺流程进行全部试验，同时对材料检验指标按照汽轮机叶片的验收标准进行，试验工艺及结果为：
一次淬火：1080℃×1.0H，油淬
二次淬火：1080℃×1.0H，油淬
一次回火：680℃×6.0H，空冷至室温
二次回火：660℃×6.0H，空冷
鉴于以上试验取得的成果，考虑到金相检测区域小，可能存在局部粗晶干扰试验结果，课题组将试验和检测部位进行缩小，将GS20101217检验过程中检测出的粗晶金相试样进行晶粒细化试验，将试验和检测区域限制在10×10范围内，并进行全平面晶粒度检查。
试验：
一次淬火1080℃×10min，油淬
二次淬火1080℃×10min，油淬
试验结果见表4、图1：
金相显示细化明显：
图1金相试样两次淬火前后金相组织
（a）二次淬火前3级（100X）；（b）二次淬火7级（100X）
（c）二次淬火前3级（500X）；（d）二次淬火7级（500X）
批量试验结果
粗晶叶片：1080℃×到温0min，油淬680-660
3.结论
叶片是汽轮机中数量和种类最多的关键零件，其型线结构和工作状态直接影响能量的转换效率，因此其设计、制造要求非常高。上文笔者根据金属相变原理，在效地对形核方式和晶粒长大进行了控制，对晶粒粗大叶片进行双重淬火细化技术处理，打破了粗晶问题传统处置模式，成功地获得了较细晶粒和良好的力学性能，填补了公司当前粗晶补救技术空缺，希望本文可以对强韧化处理方面带来一些有用的启迪，为同行提供借鉴意义。
参考文献：
[1]于红英，唐德威，伞红军．汽轮机叶片参数化设计关键技术研究[J]．计算机集成制造系统，2006(10).
［2］胡仁喜，康士廷，等．Pro/ENGINEERWildfire4.0中文版标准实例教程[M]．北京：机械工业出版社，2009．
[3]潘毅，章泳健．汽轮机叶片的三维几何造型方法综述[J]．汽轮机技术，2010（06）。