王群娣

(太原重工股份有限公司輪軸分公司，山西030024)

為解決電力短缺、環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題及提高能源利用率[1]，國(guó)家近幾年致力于發(fā)展超超臨界發(fā)電設(shè)備。超超臨界汽輪機(jī)的大型高壓轉(zhuǎn)子通常重約幾十噸甚至幾百?lài)?，工作部分蒸汽溫度達(dá)到600℃以上、蒸汽壓力達(dá)到30 MPa以上，同時(shí)還要高速旋轉(zhuǎn)，因此對(duì)材料性能的要求極高。X12CrMoWVNbN10-1-1鋼是近年來(lái)廣泛用于制造超超臨界汽輪機(jī)組中高壓轉(zhuǎn)子的一種耐熱鋼[2～5]。

由于低碳不銹鋼在熱加工及熱處理過(guò)程中容易出現(xiàn)δ鐵素體的析出現(xiàn)象，對(duì)轉(zhuǎn)子的力學(xué)性能產(chǎn)生較大的影響[6]，因此研究X12CrMoWVNbN10-1-1鋼δ鐵素體產(chǎn)生與消除的規(guī)律對(duì)生產(chǎn)有極大的指導(dǎo)意義。本文利用試驗(yàn)并結(jié)合金相組織、沖擊性能測(cè)試和SEM掃描等手段進(jìn)行分析，研究了δ鐵素體在不同加熱溫度、保溫時(shí)間條件下析出的規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)所用材料取自鍛后轉(zhuǎn)子，大小為100 mm×100 mm×600 mm。化學(xué)成分如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

熱處理試驗(yàn)。在箱式加熱爐中，加熱溫度為1 000～1 200℃，間隔20℃，保溫時(shí)間分別為2 h、5 h、10 h，空冷至室溫，使用金相顯微鏡分析所有試樣的顯微組織。

沖擊試驗(yàn)及SEM分析。加熱溫度為1 000～1 250℃，間隔50℃，保溫5 h后空冷。按照GB/T 229-1994[7]標(biāo)準(zhǔn)制作標(biāo)準(zhǔn)試樣并在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。沖擊完后使用SEM進(jìn)行觀察掃描其斷口形貌。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of the tested steel(mass fraction,%)

(a)1000℃ (b)1080℃

(c)1100℃ (d)1200℃圖1 X12CrMoWVNbN10-1-1鋼不同溫度保溫時(shí)δ鐵素體析出情況(50×)Figure 1 The situations of δ ferrite precipitated from X12CrMoWVNbN10-1-1 Steel when holding under different temperatures(50×)

表2 δ鐵素體在不同溫度保溫2 h時(shí)的析出量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 The amount of δ ferrite precipitation when holding for two hours under different temperatures(mass fraction, %)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顯微組織分析

圖1為X12CrMoWVNbN10-1-1鋼分別在1 000℃、1 080℃、1 100℃、1 200℃保溫2 h的金相照片。該鋼合金成分高，淬透性好，因此在空冷的狀態(tài)下就能淬透。從金相圖上觀察，金相組織在1 100℃以下主要以細(xì)小馬氏體為主，晶粒度大約在5～7級(jí)，而超過(guò)1 100℃后晶粒長(zhǎng)大迅速，主要為粗大鐵素體、馬氏體混合組織，并且隨著溫度的升高，δ鐵素體量逐漸增加，呈現(xiàn)條帶狀分布，此時(shí)晶粒度大約在1～4級(jí)。圖1中亮白色的組織即為析出的高溫鐵素體組織。

根據(jù)對(duì)金相圖的統(tǒng)計(jì)，δ鐵素體析出量如表2所示。從表2可以看出，在1 100℃以下，析出量很少，不足1%，而在1 160℃以后析出量成倍增加。在1 200℃時(shí)析出量最高。對(duì)保溫10 h的試樣經(jīng)過(guò)金相觀察分析，其δ鐵素體含量高達(dá)9%。

表3 X12CrMoWVNbN10-1-1鋼的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Table 3 The mechanical properties results of X12CrMoWVNbN10-1-1 steel

通過(guò)分析試驗(yàn)結(jié)果，可以判斷δ鐵素體在1 160℃以上隨著溫度和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，析出量有較大幅度的增加。

2.2 沖擊性能測(cè)試及分析

從表3的平均沖擊吸收功來(lái)看，試樣的沖擊功隨著溫度的升高呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在1 000～1 150℃范圍內(nèi)熱處理時(shí)，沖擊功降幅較小，尤其是1 050～1 150℃之間，沖擊功基本接近。而當(dāng)溫度超過(guò)1 150℃時(shí)，隨著溫度的提高，沖擊功降幅較大，特別是經(jīng)過(guò)1 250℃處理后的試樣，沖擊值僅為17.3 J。結(jié)合金相分析，可以推斷，這是由于δ鐵素體大量析出而引起的，并且析出量越大，力學(xué)性能越差。

(a)1 050℃

(b) 1 250℃圖2 沖擊斷口SEM照片F(xiàn)igure 2 The SEM photographs of impact fracture

2.3 斷口分析

圖2是試樣分別經(jīng)過(guò)1 050℃和1 250℃兩個(gè)溫度點(diǎn)沖擊后的SEM照片，通過(guò)對(duì)比分析可以看出前者韌窩較多，呈延性斷裂，塑韌性較好；后者主要呈現(xiàn)沿晶斷裂，韌性較差。這也說(shuō)明了在1 250℃熱處理后沖擊功較低的原因主要是晶粒粗大和δ鐵素體大量析出割裂晶界而共同引起的。

3 結(jié)論

(1) X12CrMoWVNbN10-1-1鋼淬透性較好，在空冷狀態(tài)下就能淬透，金相組織為馬氏體+δ鐵素體。

(2)X12CrMoWVNbN10-1-1鋼中δ鐵素體在原始試樣中即存在，析出量隨著溫度的升高、保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而增多，試驗(yàn)中最低值是在1 000℃保溫2 h后，含量為0.3%；最高值是在1 200℃保溫10 h后，含量為9%。

(3)沖擊性能測(cè)試表明，X12CrMoWVNbN10-1-1鋼在1 150℃以上熱處理時(shí)，δ鐵素體析出較多，沖擊功下降較大。

(4)從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)分析，在熱處理、熱加工過(guò)程中要盡量避免進(jìn)入1 150℃以上的溫度區(qū)間，一旦δ鐵素體大量析出，將會(huì)嚴(yán)重影響材料的力學(xué)性能。

[1] 林富生.超超臨界參數(shù)機(jī)組材料國(guó)產(chǎn)化對(duì)策[J].動(dòng)力工程，2004，24 (3)：311-316.

[2] 劉顯惠，林錦棠.國(guó)內(nèi)外汽輪機(jī)大型轉(zhuǎn)子鍛件材料的技術(shù)進(jìn)展(一)[J].國(guó)外屬熱處理，1999，(3)：5-7.

[3] 趙成志，魏雙勝，高亞龍等.超臨界與超超臨界汽輪機(jī)耐熱鋼的研究進(jìn)展[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2007，19(9) :125.

[4] MASU YAMA Fujimitsu. History of power plants and progress in heat resistant steel[J],ISIJ,International,2001，41(6):612-625.

[5] 韓利戰(zhàn)，陳睿愷，顧劍鋒，潘健生. X12CrMoWVNbN10_1_鐵素體耐熱鋼奧氏體晶粒長(zhǎng)大行為的研究[J].金屬學(xué)報(bào)，2009,45(12):1446-1450.

[6] 陳德和.不銹鋼的性能與組織[M].北京.機(jī)械工業(yè)出版社，1977．

[7] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/T229-1994 金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法[S].北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 1995.