热套温度对屏蔽主泵飞轮护环性能影响的研究

郑吉伟，戚彩梦，张 鹏， 秦 斌，曲兆国，杜 娟

(1. 哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨 150040； 2. 哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

屏蔽主泵电机飞轮护环采用ASTM A289 8级锻件，该等级锻件在无磁性奥氏体护环材料中强度等级最高。它同汽轮发电机护环一样，采用冷胀形来提高材料强度[1]。装配时，护环热套于内部部件之外，保护内部部件不飞逸，有时还需对其进行加热拆卸。冷作硬化材料性能对温度敏感，因此护环装配或拆解时的加热参数选择需考虑性能因素，须选择合理的加热温度和时间，以保证护环部件的使用性能。国内几个大型汽轮发电机制造公司对此方面进行过研究，但均集中在较低强度等级的护环上，ASTM A289 8级护环锻件无此方面的研究。同种材料不同强度等级的护环的冷作硬化变形率不同，受热后性能的影响程度不一定相同，本文研究内容是找到该护环性能随温度的变化规律。

1 试验用材

本研究所用ASTM A289 8级护环锻件由国内某材料制造厂研制开发，其壁厚约50 mm，化学成分见表1，符合标准要求。化学成分检验试样取自锻件的中壁位置。

表1 化学成分 %

为验证热处理前后锻件性能降低程度，在锻件本体取样，对原始性能进行了检验。按标准要求，拉伸试样取自于中壁，即试样轴线位于锻件1/2壁厚处，冲击试样取自于内壁，冲击试样缺口距锻件内表面为15 mm。拉伸试验和冲击试验按ASTM A370的规定进行。室温拉伸试验采用名义直径为12.5 mm，标距为50 mm的标准圆形试样，高温拉伸试验采用名义直径为10 mm，标距为40 mm的圆形试样，冲击试验采用标准的V型缺口试样。锻件原始力学性能检测结果见表2。

表2 力学性能

续表2 力学性能

2 热处理方案

锻件试料的热处理采用整体均匀加热方式，在电阻式箱式炉内进行，功率升温，保温温度从200 ℃开始以50 ℃梯度递增至600 ℃，保温时间设定0 min，30 min，1 h及5 h四种，试料保温结束后出炉空冷至室温。具体的热处理制度见表3，每个制度下拉伸试料2件，规格为25 mm×25 mm×150 mm，冲击试料2件，规格为12 mm×12 mm×60 mm。

表3 热处理制度

3 结果及分析

护环锻件制造过程中经固溶处理后仍需要采用冷胀形成型，是采用冷作硬化强化的典型材料[2]。冷作硬化是金属材料在常温或再结晶温度以下的加工产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒产生剪切、滑移，晶粒被拉长，使金属的强化指标，如屈服点、硬度等提高，塑性指标如伸长率降低的现象。冷作硬化材料经不同温度和时间的热处理后，组织结果会发生回复、再结晶及晶粒长大现象，相应的性能也会发生变化[3]。图1～图5分别列出了护环锻件按上述工艺热处理后屈服强度、抗拉强度、延伸率、断面收缩率及冲击吸收功的试验结果和随温度的变化曲线。拉伸试验温度为100 ℃，冲击试验温度为25 ℃，所采用的试样形式与锻件原始性能检验的相同。

图1 屈服强度

图2 抗拉强度

图3 延伸率

图4 断面收缩率

图5 冲击吸收功

从图1及图2的曲线可明显看出，随温度的升高,屈服强度和抗拉强度全部呈下降趋势，从550 ℃开始下降明显。从200 ℃～600 ℃，屈服强度最大下降了101 MPa，降低了7.9%，比未进行热处理的锻件原始性能降低了8.4%，最低值已经低于要求的验收值；从200 ℃～600 ℃，抗拉强度最大降低了92 MPa，降低了7.2%，比未进行热处理的锻件原始性能降低了7.5%，最低值已接近验收值。同样可以看出，550 ℃前同一热处理温度不同保温时间下， 锻件材料的强度值波动规律不显著，较离散，这与锻件材料本身性能均匀性相关。550 ℃以后，同一热处理温度，随保温时间延长，性能下降明显。

从图3及图4的塑性指标曲线可看出，锻件材料的延伸率和断面收缩率的变化规律不显著，且均能满足塑性指标要求。

从图5冲击韧性值及曲线变化规律可以看出，随着热处理温度的升高及保温时间的延长护环锻件的冲击韧性呈下降趋势。经高温长时间热处理后，材料的韧性指标下降较大，最大下降比为41%，因此该护环材料应避免400 ℃以上长时间加热。

4 结论及建议

(1) ASTM A289 8级护环锻件的强度，包括屈服强度和抗拉强度，随加热温度的升高和保温时间的延长，其指标呈下降趋势，550 ℃以后下降明显，屈服强度下降百分比约8.4%，抗拉强度下降百分比约7.5%。冲击韧性随温度变化规律与强度相同，400 ℃以上降低开始显著，降低约20%，550 ℃以上迅速降低，约41%以上，因此建议避免锻件加热400 ℃以上。

(2) 600 ℃以下时ASTM A289 8级护环锻件的塑性指标随加热温度及保温时间变化不明显。