12Cr12Mo马氏体不锈钢叶片断裂原因分析

李艳军 侯家绪 高秀娜 唐艳志

（1.润电能源科学技术有限公司，河南 郑州 450000；2.华润电力（锡林郭勒）有限公司，内蒙古 锡林郭勒盟 026000）

高铬马氏体不锈钢蠕变强度高，耐热疲劳性能和抗高温氧化性能好，近年来发展迅速，常用于制造蒸汽管道、压力壳体、核电构件和汽轮机动静叶片等［1-3］。这类钢含铬量较高，并含有W、Mo、V、Nb、Si等铁素体稳定化元素，在冶炼和热加工过程中可能会形成δ-铁素体，从而降低钢的高温持久强度、冲击韧性等性能［4-5］，但目前这方面的研究报道较少。本文对某电厂12Cr12Mo马氏体不锈钢叶片断裂的原因进行了分析，研究了不同形态δ-铁素体对马氏体不锈钢冲击韧性的影响。

1 试验材料与方法

某电厂汽轮机末三级叶片断裂。试验用1号叶片为断裂叶片，2号叶片为完好叶片，为同一生产批次产品。采用FOUNDRY-MASTER PRO型直读光谱仪分析试验用叶片的化学成分，结果如表1所示，成分符合标准要求［6］。叶片的宏观形貌如图1所示，1号叶片裂纹位于出汽侧附近的内弧面，裂纹扩展区面积较大且有密集的贝纹。从1、2号叶片不同部位（图2）取样进行金相检验和力学性能测定。

表1 叶片的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical composition of the blades（mass fraction） %

图1 装配的叶片Fig.1 Assembled blades

图2 1号叶片横截面低倍形貌Fig.2 Lower-magnification view of cross-section of the blade No.1

2 试验结果与分析

2.1 显微组织

从图2所示的叶片3个部位取样，采用Axiovert 40 MAT型金相显微镜进行金相检验，1号叶片组织均为回火马氏体和δ-铁素体，δ-铁素体体积分数约为10%，部位1、2处δ-铁素体均呈带状，部位3处呈块状，如图3所示。δ-铁素体的硬度比马氏体低150 HB左右，它的存在会降低钢的强度［7］，在轧制过程中沿轧制方向变形，因此可认为1号叶片中带状铁素体主要是块状铁素体沿轧制方向变形所致。2号叶片组织为回火马氏体和少量δ-铁素体，δ-铁素体体积分数为1% ～2%，在叶片进汽侧和出汽侧均呈带状，如图4中箭头所示。GB/T 8732—2014《汽轮机叶片用钢》规定，12Cr12Mo钢中δ-铁素体体积分数最多不得超过3%，1号叶片中δ-铁素体含量超过要求范围的上限。

图3 图2所示1号叶片部位1（a）、2（b）和3（c）的显微组织Fig.3 Microstructures in positions 1（a），2（b）and 3（c）of the blade No.1 showed in Fig.2

图4 2 号叶片部位1（a）、2（b）和3（c）的显微组织Fig.4 Microstructures in positions 1（a），2（b）and 3（c）of the blade No.2

2.2 拉伸性能

采用UTM5305型微机控制电子万能试验机测定1、2号叶片的拉伸性能，拉伸试样取自叶片中部和进汽侧，检测结果如表2所示。可见1、2号叶片拉伸性能均符合标准要求，1号叶片的抗拉强度较2号叶片约低50 MPa。

表2 叶片的拉伸性能Table 2 Tensile properties of the blades

2.3 冲击性能

从叶片进汽侧切取标准冲击试样，受部位限制，出汽侧冲击试样为小尺寸试样（5 mm×10 mm×55 mm）。冲击试验结果如表3所示，其中用小尺寸试样检测的结果已按相关标准转换为标准冲击吸收能量。1号叶片进汽侧冲击试验结果符合标准要求，2号叶片进汽侧仅有1个冲击试样符合要求，2个叶片出汽侧试样的冲击吸收能量均低于要求值的下限。文献［8-9］表明：12Cr12Mo钢的冲击吸收能量基本为90～160 J，可见1号叶片进汽侧10%体积分数的块状δ-铁素体并未显著影响冲击韧性，而10%体积分数的带状δ-铁素体则使韧性下降约50%。

表3 叶片的冲击吸收能量Table 3 Impact absorption energy of the blades

2.4 扫描电子显微镜及能谱分析

1号叶片断裂发生在机组运行过程中，断口已氧化。从叶片的部位1和3取样，采用FEI Quanta650型扫描电子显微镜进行金相检验，如图5所示。可见部位1的带状δ-铁素体体积分数超过15%；部位3主要为准解理断裂，局部有较深的撕裂缝隙，块状铁素体区为穿晶断裂，有一定的韧性断裂特征（如图5中箭头所示）。对图5中部位1马氏体区和带状δ-铁素体区分别进行能谱分析，结果表明，带状铁素体区的Cr、Si含量明显高于其他区域，如图6和表4所示。有关文献表明，马氏体钢中δ-铁素体为富Cr区［10］，而Si是铁素体形成元素，会促进马氏体钢中形成大量δ-铁素体，以上结果符合马氏体钢中δ-铁素体成分的基本特点。

图5 1号叶片部位1（a）和3（b）的扫描电子显微形貌Fig.5 Scanning electron micrographs of positions 1（a）and 3（b）in the blade No.1

3 分析与讨论

金相和冲击韧性检验结果表明：断裂叶片即1号叶片中10%体积分数的块状δ-铁素体对材料冲击韧性无显著影响，而10%体积分数的带状δ-铁素体使冲击韧性下降了约50%；2号叶片中带状δ-铁素体体积分数虽然仅为1% ～2%，但其冲击韧性也低于要求值的下限，说明很少量的带状δ-铁素体就显著影响材料的冲击韧性。

δ-铁素体为高温相，铁素体形成元素含量或轧制温度控制不当均会导致制造过程中δ-铁素体大量析出［11］。从能谱分析结果看，带状δ-铁素体固溶有较多Cr、Si等元素，减弱了马氏体不锈钢的固溶强化和沉淀强化效果，使钢的高温持久强度和冲击韧性下降［4，12］。目前，关于δ-铁素体对钢韧性影响的研究结果有差异。文献［13-15］显示，多边形和针状铁素体均明显降低含W型10%Cr（质量分数）超超临界钢的冲击韧性，δ-铁素体的存在会严重影响马氏体钢的冲击性能。文献［16］则表明，δ-铁素体会降低钢的强度但不会降低钢的韧性，极低量δ-铁素体甚至会提高某些钢的韧性。有学者认为，δ-铁素体含量是影响马氏体钢冲击韧性的重要因素，10% ～20%体积分数的δ-铁素体对钢的韧性影响很小。

图6 1号叶片马氏体区（a）和带状铁素体区（b）的能谱分析Fig.6 Energy spectrums of martensite area（a）and ferrite area（b）in the blade No.1

表4 1号叶片不同区域的化学成分（质量分数）Table 4 Chemical compositions of different areas in the blade No.1 （mass fraction） %

因此，不同形态的δ-铁素体对马氏体钢韧性的影响有明显差异，块状δ-铁素体对12Cr12Mo马氏体钢韧性的影响不明显，而带状δ-铁素体会导致其韧性显著降低。

4 结论

（1）马氏体不锈钢中很少量的带状δ-铁素体就显著影响钢的冲击韧性。

（2）10%体积分数的块状铁素体对马氏体钢冲击韧性的影响较小，而相同体积分数的带状铁素体则使钢的冲击韧性降低约50%。

（3）断裂叶片的热处理工艺不当，导致带状δ-铁素体含量远高于要求值，使其韧性和持久强度降低，从而在运行中疲劳断裂。