王 敏 馮 莉 張曉旭

(沈陽鑄鍛工業(yè)有限公司鍛造分公司，遼寧110142)

葉輪是汽輪發(fā)電機關鍵部件之一，在高溫、高壓、高速的環(huán)境下工作，承受巨大的復雜的機械應力及熱應力。因此其內部質量要求高，尤其超聲波探傷標準要求極其嚴格，力學性能指標要求高。葉輪傳統(tǒng)成形工藝方案為實心坯料在漏盤內鐓粗成形，屬于餅類件鐓粗成形，如果在操作過程中控制不當，很容易造成厚輪轂葉輪鍛件(H大于450 mm)的輪轂部位(圖1 B區(qū))內部產生密集缺陷而報廢。另外即使內部質量滿足標準要求，由于葉輪試料區(qū)處于鐓粗成形的難變形區(qū)，容易造成晶粒粗大，尤其葉輪材料為30Cr2Ni4MoV時，存在組織遺傳，增加最終調質處理難度。我們通過對影響葉輪質量的因素進行分析，吸取傳統(tǒng)工藝方案造成葉輪質量問題的經驗教訓，對傳統(tǒng)工藝方案進行改進，采用空心坯料鐓粗成形，從而保證了厚輪轂葉輪質量。

圖1 葉輪示意圖Figure 1 The diagrammatic sketch of impeller

1 技術要求

葉輪鍛件如圖2所示，材料為30Cr2Ni4MoV。

鍛件重4 600 kg，采用7.5 t鋼錠鍛造。驗收標準為JB/T1266—2002。

2 工藝方案

2.1 傳統(tǒng)工藝方案為：

一火：壓鉗口、倒棱、錯水口；

二火：鐓粗?1 300 mm；

三火：拔長下料?700 mm×1 650 mm；

四火：在漏盤內鐓粗至滿高640 mm，然后用上砧開邊鍛出上凸臺，沖孔滾圓平整出成品。

圖2 葉輪鍛件圖Figure 2 The drawing of impeller forging

圖3 傳統(tǒng)工藝葉輪最終鐓粗變形Figure 3 The finally upsetting of impeller with traditional technology

圖4 輪轂部位缺陷分布Figure 4 The failure distribution of wheel hub position

該工藝方案造成葉輪有二個質量方面的問題：首先在最終成形過程中，當用鐓粗板將坯料鐓至640 mm高時，坯料的最大徑高比約為2(見圖3)。根據(jù)剛塑性力學模形的拉應力理論，在此過程存在上下剛性區(qū)相交，在坯料內部產生附加橫向拉應力。由于此部位坯料為鋼錠中心部位，冶金缺陷相對嚴重，加劇了附加橫向拉應力對坯料內部的破壞作用，容易使葉輪輪轂部位產生密集缺陷，缺陷分布位置大部分如圖4所示。其次，由于葉輪輪轂下端面在漏盤內鐓粗，雖然能夠進行中心壓實，但由于該部位為剛性難變形區(qū)，不可避免的使該部位的鍛后金相組織比上端面差，這是造成葉輪上下輪轂端面力學性能差異的一個主要因素。下端性能試驗結果對于大葉輪來講，一次性合格率不高。

2.2 改進后的工藝方案如下，全部變形過程見圖5。

一火：下料?700 mm×1 650 mm；

二火：鐓粗400 mm，沖?350 mm；

三火：芯軸拔長將內孔收縮至?150 mm，制坯成空心坯料；

四火：在漏盤內鐓粗至滿高640 mm，然后用上砧開邊鍛出上凸臺，沖孔滾圓出成品。

圖5 新工藝變形圖Figure 5 The diagrammatic drawing of deformation process with the new technology

由于采用空心坯料鐓粗出成品，在鐓粗變形過程中(見圖6)，消除了附加橫向拉應力對坯料內部的破壞作用，使輪轂部位金屬在靜水壓力的應力狀態(tài)成形，達到了中心壓實的目的。同時由于空心坯料處于漏盤部位進行收縮變形，消除了傳統(tǒng)工藝方案中容易造成輪轂部位鍛后晶粒粗大的風險，上下端面變形均勻性得到了保障。

采用該工藝方案鍛造的葉輪經雙重過冷擴氫退火鍛后熱處理，粗加工超聲波探傷，未發(fā)現(xiàn)超標缺陷。我公司用該工藝方法先后為哈汽、南汽等汽輪機廠鍛造輪轂厚度為450 mm～570 mm，毛坯重為4 300 kg～6 000 kg的大型葉輪鍛件共計63件，探傷檢測及力學性能檢測全部符合技術標準要求。

圖6 空心坯料最終鐓粗變形Figure 6 The final upsetting deformation with hollow blank

值得強調的是，使用該工藝方法對操作工人的鍛造技術水平提出較高要求，收孔制坯時，要精心操作，不要將空心坯料內孔收出折傷。

3 結論

3.1 采用剛塑性力學模型的拉應力理論對鍛造成形過程分析具有較好的指導意義。

3.2 采用空心坯料鐓粗成形工藝可以保證大型葉輪類鍛件的內部質量，很好滿足超聲波探傷標準要求及力學性能的要求。

3.3 該工藝方案適用于質量要求較高的厚壁筒類和餅類(帶孔)鍛件的生產。

[1] 劉助柏.塑性成形新技術及其力學原理.北京：機械工業(yè)出版社.

[2] 張志文.鍛造工業(yè)學. 北京：機械工業(yè)出版社.

[3] 盧志輝，賴曾美，嚴振宇.大鍛件坯料鐓粗時的剛塑性模擬研究.大型鑄鍛件，1990(4).

[4] 楊兵，張建國.用變向鍛造方法鍛造管箱鍛件.大型鑄鍛件，2003(1).