工业汽轮机转子锻件用28CrMoNiV的微观组织调控与冲击韧性研究

2022-11-22周黎明叶常晖费海良

中国金属通报 2022年7期

周黎明，巨佳，叶常晖，费海良，叶伟

工程中的金属材料，除去粉末冶金法制成的特殊金属制品外，几乎所有的金属制品都必须经过金属的熔炼和凝固过程。通过熔炼，得到要求成分的液态金属，浇注在铸锭中，凝固后获得铸锭或成型的铸件，铸锭再经过冷热加工变形从而制成各种型材或锻件。熔炼的基本目的是制造出化学成分符合要求，并且熔体纯洁度高的合金熔液，为铸成各种形状的铸锭创造有利条件。无论是成型铸件，还是铸锭经变形后得到的各种型材或锻件，其性能都受到铸件或铸锭凝固组织的决定性影响，铸锭的凝固组织也影响到其热变形性能，不合理的铸锭组织会引起热变形中的开裂,降低成材率。热加工可改善铸锭组织和性能，但铸造中的宏观缺陷（如宏观偏析、非金属夹杂、缩孔、裂纹等）仍将残留于制品中，给制品性能带来很大影响。

工程中材料的机构破坏或失效都是由于强度不足引起的。随着对设备或结构性能要求的提高，其工况、载荷及环境条件越来越苛刻，涉及到的强度问题也越来越复杂。材料强度是表征材料承载能力的力学性能指标，通常与塑性、韧性是相互矛盾的，强度高则塑性、韧性低。零件如果存在塑性、韧性有余而强度不够，则寿命不高，若适当降低塑性、韧性而提高强度，则零件寿命大幅度提高。但也不能认为强度越高越好，强度越高，零件的塑性、韧性越低，其疲劳寿命反而降低。因此合理的强韧性配合，是零件使用寿命长短的关键。

我国是汽轮机强国，但我国生产的汽轮机关键配件与国际先进水平仍有差距，现阶段主要靠进口关键配件材料来解决这一问题。随着我国汽轮机行业的发展，很有必要通过自主研发，打断国外垄断，实现关键材料的国产化。本文通过28CrMoNiV的微观组织调控与冲击韧性的研究，观察锻钢的微观组织来分析其冲击性能及断裂机理，为其在复杂温度下的塑韧性优化设计提供理论和技术支持，为汽轮机转子锻件的工艺设计与调整提出理论依据。

1 试验材料与方法

本文的试验材料为工业汽轮机转子用28CrNiMoV钢。锻钢钢锭经切割加工后采用锻件预备热处理在台式炉上进行，采用正火+回火形式，调质热处理在井式炉内进行，通过淬火+高温回火的形式。

1.1 热处理工艺

1.1.1 正火工艺

正火温度一般为Ac3以上30℃～50℃，正火主要目的是细化组织。根据试验得最优化工艺，温度为900℃，保温时间计算参照淬火工艺规程，正火后一般采用空冷。

1.1.2 淬火工艺

淬火温度为Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷速的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体或贝氏体转变的热处理工艺。

因为23CrNiMoV的奥氏体化温度约为850℃，故淬火温度在880℃～900℃之间。根据试验得最优化工艺，淬火温度为900℃。淬火液为水，淬火方式为单液淬火。

1.1.3 回火工艺

回火：将工件淬硬后，再加热到Ac1点以下的某温度并对工件进行保温，保温后将工件冷却到室温的热处理工艺。回火的目的：降低工件强度和强度，提高工件延性或韧性，消除内应力，提高组织稳定性。本实验热处理为调制处理，故选用高温回火，空冷。

方案一热处理成品样热处理工艺为：900℃正火2h空冷，900℃淬火2h水冷，650℃回火3.5h～4h空冷。方案二为优化后的热处理工艺：900℃正火60min空冷，900℃淬火50min水冷，620℃回火100min空冷。金相组织观察采用方案二的热处理流程。

1.2 组织观察与性能

（1）组织观察：试样的微观组织采用IE200M 型金相显微镜和JSM-6360LV型扫描电子显微镜观察。

（2）性能测试：拉伸试验可以测定强度和塑性。本次试验主要测试材料抗拉强度（σb）、断面收缩率（Ψ）和断后伸长率（δ）。抗拉强度为材料在断裂前达到的最大应力值，即材料的实际承载能力。断面收缩率和断后伸长率是材料的塑性指标。拉伸试验试样根据标准试样进行加工。对于常温拉伸试样，只对相应数据进行改变，原始直径D0制成5.0mm，试样标距按相关标准为直径的5倍，即为25mm。而对于高温拉伸试验，直径为6.0mm，原始标距为30mm。按GB229-76在拉伸试验机上进行。拉伸速率约为2mm/s。缓慢均匀地加载，注意观察缩颈现象。应考虑到实际工况，本实验还进行了高温拉伸性能的测试，采用附带的加热系统，将温度设定为500℃。

采用JBW-300H型仪器化冲击试验机对试验样品进行冲击性能测试。试验温度从室温到-60℃，共取5个温度点。使用DWC-60冲击实验低温槽，调控试样温度。在规定的试验温度下，试样要保持足够时间进行冷却。由于试样从冷却介质中取出到冲击有时间间隔，为保证冲击时试样温度在预定温度内，应在5s中之内打断试样，并通过将试样过冷的方式，来补偿试样温度损失。为减小各种原因带来的数据误差，在每个温度点都选择3支～4支试样进行冲击，最后取平均值作为此温度的冲击功。

2 分析与讨论

2.1 工业汽轮机转子用锻钢的微观组织观察与分析

2.1.1 工业汽轮机转子用锻钢的微观组织观察

本论文所采用的原材料为28CrNiMoV高强度耐热钢，锻钢的微观组织为大量的羽毛状束状分布的贝氏体组织，此外，还有少量极细小的碳化物颗粒存在于基体相中。

从提高工业汽轮机转子用锻钢性能的角度出发，本论文对28CrNiMoV高强度耐热钢锻造后的热处理工序进行了优化。可以明显看出正火后锻钢的微观组织主要为铁素体，细小颗粒状贝氏体碳化物在铁素体内部均匀分布，这说明28CrNiMoV锻钢在正火后出现了明显的偏析现象。淬火后试样的微观组织中可以观察到较多的板条状马氏体组织，同时还观察到少量残余奥氏体。其中马氏体板条形态正常，无明显粗大板条。图3.1e和3.1f为620℃回火100min后试样的微观组织。可以从图中明显的看到淬火后产生的板条马氏体几乎全部消失，在铁素体基体上有大量碳化物析出并呈均匀弥散分布。析出的大量细颗粒状碳化物组织由其形貌判断应该为回火索氏体。

2.1.2 晶粒度评级

将方案一成品样，经过抛光和腐蚀晶界后，根据GB/T 6394-2002《金属平均晶粒度测定法》，对于100倍下观察到的金相照片，按照图中的标尺进行晶粒尺寸的计算，对照相应的晶粒度标准表格，测定其晶粒度等级为7级，并且发现部分晶粒极其细小，这是由于23CrNiMoV钢在热处理时，晶界附近会产生细小碳化物，会阻碍晶粒的长大，使晶粒细化，从而材料拥有更好的综合性能。因此，本次实验所用的材料晶粒度等级完全符合要求，其他实验数据合理性得到保证。

2.2 工业汽轮机转子用锻钢的力学性能测试与分析

2.2.1 力学性能测试与分析

拉伸样为经方案一热处理后的成品样。在室温条件下，材料的抗拉强度在1100MPa以上，断后伸长率在10%以上，材料的拉伸性能好，不易在使用过程中发生拉伸断裂。屈服强度是指材料对宏观塑性变形的抗力，屈服变形是不均匀的，本试验用钢屈服现象不明显，用σ0.2表示。硬度值大致为35HRC，符合要求。

在实际工况中，制动盘常在300℃以上的高温环境下工作，高温下原子的扩散能力会增大，高温强度和室温强度会有所不同，因此，除了常温拉伸性能以外，还需测试其高温下的拉伸性能。对比室温拉伸数据可知，温度的升高，导致材料的抗拉强度明显有所下降，断后伸长率变化不明显，这是由于高温下材料的变形机制增多，易发生塑性变形，表现为强度降低，但是相对比于制动盘力学性能要求（σb不小于205N/mm），材料的拉伸性能还是较好的，足以满足力学性能要求，可以达标。

2.2.2 拉伸断口分析

断口有明显缩颈现象，分三个区域，中心区域为典型的纤维区，在此处易形成裂纹，裂纹会向周围延伸。在纤维区外，粗糙的放射区，形状似剪切花样，这是因为受到较大的拉伸力而发生的剪切变形，在此处扩展很迅速；图中外围颜色变灰、变暗，但比起放射区较为平滑但所占面积较小，此处为剪切唇，是拉伸试样最后断裂的地方。从图中还能看出，放射区所占比例最大。放大纤维状区域、放射花样区域以及区别于这两个区域的表面光滑的杯状区域。杯底垂直主应力，锥面与主应力呈45°角，颜色灰暗色。该区域很明显呈尺寸大小不等的断裂韧窝，韧窝形态均匀，韧窝深度无明显差别，表明是韧性断口，试样具有良好的塑性和韧性。发现放射线平行于裂纹扩展方向而垂直于裂纹前端的轮廓线，并逆指向裂纹源。

随着回火温度的提高，纤维区和剪切唇所占比例增加，放射区比例减少，故塑性依次增加。纤维区出现韧窝形貌，属于等轴韧窝，随着回火温度的提高，韧窝尺寸越大、深度越深，620℃和660℃出现大而深的韧窝，韧性较佳。放射区也出现韧窝形貌，但韧窝被拉长，发生塑性变形，出现了明显的放射条纹。剪切唇区较为光滑，韧窝出现位相，沿着一定方向被拉长。

2.2.3 韧脆转变温度的确定

本论文中所用的冲击试样为28CrNiMoV锻钢成品样上切取的试样，测试时，选取6个相同的试样（9#、10#、11#、12#、13#和14#），分别在温度为10℃、0℃、-10℃、-30℃、-50℃和-60℃测试其冲击功。经拟合后所获得的冲击功-温度曲线。通常，在不同冲击试验温度下，冲击吸收功会出现上下两个平台，但是本研究中，冲击吸收功的上下平台虽然不太明显，但已经有一定趋势。通过冲击功-温度曲线，认定28CrNiMoV锻钢成品样的冲击吸收功在室温10℃以上为上平台区域，-60℃以下为下平台区域。同时，根据能量法推测该材料的韧脆转变温度为-30℃左右。另一方面，根据国家GB/T229-2007标准，结合所观察到的断口全貌，选取测定断面率所需要的尺寸，计算获得28CrNiMoV锻钢成品试样的脆面断面率。经过计算分析后发现，28CrNiMoV锻钢成品试样脆性断面率为50%时所对应的温度约为-30℃左右，这与之前能量法所获得的韧脆转变温度结果相吻合，这也从另一方面验证这两种方法的可靠性。

2.2.4 冲击断口微观形貌分析

从28CrNiMoV锻钢成品试样在0℃～-60℃的冲击断口形貌可以分析出，0℃时冲击断口形貌，该温度靠近冲击吸收功的上平台，断口形貌中纤维区比例大，韧窝的特征明显，为明显的韧性断口。-60℃时冲击断口形貌，该温度靠近冲击吸收功的下平台，断口形貌基本为放射区，断口灰暗，有结晶状，河流状花纹明显，为典型的脆性断口，与之前测试的冲击吸收能量数据相符。

冲击断口形貌绝大部分为韧窝形态，靠近缺口部分的韧窝没有明显的方向排列，呈典型的等轴韧窝形态。在最后断裂的一部分区域，韧窝呈明显的方向性排列且韧窝深度有较为明显的差别，属于典型的撕裂韧窝形态。

28CrNiMoV锻钢成品试样-10℃时冲击断口形貌可以明显观察到冲击断裂的裂纹源。该裂纹源有可能是在加工v型缺口时产生缺陷，在随后的冲击时测试过程中产生应力集中，最后由缺陷发展为材料冲击断裂的裂纹源，导致冲击断裂。还可以发现有较多细小的韧窝，同时韧窝不仅多而且深，说明材料的塑性良好。而从中可发现材料发生了二次裂纹扩展，呈准解理特征。

28CrNiMoV锻钢成品试样-50℃时冲击断口全貌中可看出试样的冲击韧窝明显变浅，河流状花样明显。试样冲击断口为放射区形貌，其放射区的比例相对之前断口来说偏大，呈明显的脆性断裂特性。可以在一些韧窝中发现疑似夹杂物的存在，夹杂物会对材料韧性产生非常不利的影响，例如增加材料的冲击脆性，提高韧脆转变温度等。在实际汽轮机转子锻制成型到制成成品过程，包括热处理以及后续的加工工艺均无法做到绝对的避免夹杂物的引入，因此，微量的夹杂物在汽轮机转子锻件材料中属于正常的存在。对于冲击断口中少量的夹杂属于正常，本研究对冲击断口中疑似夹杂的小部分区域进行能谱分析，能谱分析结果表明，韧窝中存在一些球状石墨，这可能是样品脱碳导致的。除此之外，还含有极少量金属氧化物夹杂，杂质金属元素主要为钙（Ca）、镁（Mg）、钾（K）以及铝（Al）。说明锻钢中的夹杂物含量极少，主要以CaS、MgS以及Al2O3等形式存在，粒径约为1μm左右。颗粒较小的夹杂物对样品的冲击吸收功影响微小，并不影响断口形貌的观察及分析。

28CrNiMoV锻钢成品试样-60℃时冲击断口全貌中可以明显观察到试样冲击断口的裂纹源。由冲击断口的全貌可以发现，试样在-60℃断口主要为放射区，断口的颜色灰暗，有明显的结晶状、河流状花纹，呈典型的脆性断口。试样冲击断口的纤维区，有少量很浅的韧窝出现，但主要呈脆性断口特征。

对比不同温度状态下的断口形貌图片可知，随着温度的降低，放射区的比例升高，而冲击断口的其他两个区域所占比例越来越小，“河流”花样在断口的微观形貌中愈发明显，最后断裂区域因撕裂而产生撕裂韧窝，但韧窝也逐渐变浅。当温度低于-30℃时，上述趋势愈加明显。当温度为-60℃时，低倍断口形貌几乎全为脆性断口形貌，根据试验处理结果，此时的剪切断面率约为5%，可近似认为材料属于完全脆性状态，这也就意味着随着温度的降低，材料的脆性逐渐增大。