焊接转子用12%Cr 材料热处理工艺研究

向冲， 梁刚， 王琨， 连漪， 田蜜洋， 郑强

（东方电气集团东方汽轮机有限公司， 四川德阳， 618000）

1 背景

某单缸汽轮机采用转子高中压一体式转子，由30Cr1Mo1V+30Cr2Ni4MoV 2 种合金材料组成，高压段材料30Cr1Mo1V 最高使用温度仅566 ℃，高温蠕变强度已无法满足进汽温度585 ℃的要求。现有转子材料系列满足高压段工况要求的有12Cr钢、 FB2 钢， 中低压段仍可选用30Cr2Ni4MoV。所以通过对12Cr+NiCrMoV 异种材料焊接技术研制， 可以解决这种蒸汽温度超过566 ℃的两缸单排气的转子难题。

1Cr10Mo1NiWVNbN 为典型12Cr 马氏体耐热钢材料， 其是在1Cr13 马氏体耐热钢基础上发展的， 主要是通过添加W， Mo， V， Nb， B 和N 等合金元素来提高其高温性能[1]，广泛用作汽轮机的叶片， 转子等部件， 同时该类转子钢主要依赖进口， 其力学性能为评估转子使用寿命的关键[2]。 目前行业内在12Cr 转子的异种钢焊接已有较多研究， 但针对热处理制度对母材性能的影响尚无完整数据。

2 试验目的

由于焊接转子焊后热处理温度必须兼顾两端材质力学性能， 即须考虑热处理最终回火温度，而针对1Cr10Mo1NiWVNbN 材料并无完整的不同回火温度性能数据， 所以有必要进行试验研究该材料淬火后不同回火温度后的力学性能变化， 为焊接转子最终去应力回火提供数据支持。 同时针对热处理温度进行调整， 摸索该材料力学性能的变化， 得出规律， 为后续产品提供技术支持。

3 试验方法

首先采用JmatPro 对1Cr10Mo1NiWVNbN 平衡相图（见图1） 进行模拟， 得出淬火温度。

图1 1Cr10Mo1NiWVNbN 平衡相图

从结果可知： 1Cr10Mo1NiWVNbN 材料完全奥氏体区温度1 000～1 100 ℃，同时为避免800～1 000℃区间M23C6析出， 完全奥氏体化后， 冷却应快速通过此区间。 参照行业标准规定的热处理参数，其与模拟的完全奥氏体温度也较为吻合， 具体见表1， 热处理后力学性能见表2。

表1 热处理参数

表2 力学性能要求

3.1 不同淬火温度试验

选取由锻件本体切取的试验环分割成150 mm×100 mm×40 mm 的试样， 资料显示该材料热处理前硬度在220 HB 左右， 结合材料标准和JmatPro 分析结果，选取1 100 ℃，1 075 ℃，1 050 ℃3 个温度段进行淬火， 分别保温75 min， 回火660℃×240 min 进行试验， 试验参数见表3。

表3 不同淬火温度试验

3.1.1 力学性能

淬火试验结果如图2 所示。 不同淬火温度的硬度对比见表4。

表4 硬度结果

图2 力学性能数据

从上述力学性能指标可知， 随淬火温度升高，（1）强度、 硬度先升后降， 1 075 ℃强度最优， 但均能满足标准的要求； （2）塑性即延伸率及断面收缩率逐渐升高， 但均能满足标准要求； （3）冲击值先降后升；（4）韧脆转变温度呈先降后升， 1 075 ℃最优。

经过对取样的研究分析，可以判断鲕粒的形成过程为：有一粒灰岩碎屑，在海水中不断悬浮沉降，形成多层同心层，成为真鲕。其后由于粒度变大，悬浮较困难，碰撞、摩擦相应变少，有微生物开始附着生长，在周期性的潮汐作用下，不断滚动生长。但是某些环境因素的改变，导致微生物逐渐消亡。在鲕粒的最后生长阶段，形成的鲕层与胶结物无异。最后，由于泥质的加入形成一层光滑的泥质薄膜，终止了鲕粒的生长，最终形成巨型鲕粒。鲕粒形成的环境始终是动水环境。

3.1.2 金相组织分析

12Cr 不同淬火温度的金相组织及晶粒度见表5 和图3。

表5 12Cr 不同淬火温度金相组织及晶粒度

图3 金相组织

从上述数据可知：

随淬火温度的提高， 晶粒度有长大的趋势，从5 级降至3 级。

根据JmatPro 分析结果， 并结合试验结果， 随着淬火温度的升高， 力学性能有线性变化， 主要是因为淬火温度越高， Cr、 Nb、 V 元素溶解后再析出越明显， 当淬火为1 075 ℃， 析出最佳， 即综合强度， 塑性， 韧性等综合性能最优， 1 050 ℃淬火时， 碳化物强化作用不明显， 同时1 100 ℃淬火时， 奥氏体晶粒已有长大的趋势， 导致材料力学性能下降。

3.2 不同温度二次回火试验

同样选取由锻件本体切取的试验环进行试验，先分割成150 mm×100 mm×40 mm 的试样。 按照标准规定， 对该批试样进行1 075 ℃×90 min 淬火+570 ℃×240 min 一次回火， 再分不同温度段进行二次回火， 具体温度参数见表6。

表6 二次回火温度试验

3.2.1 力学性能

按照相关标准要求， 对不同二次回火温度的试样进行力学性能测试， 试验结果见图4 和表7。

图4 力学性能数据

表7 硬度结果

经过调质后， 材料硬度强度提高明显； 随二次回火温度升高， 强度线性降低， 塑性即延伸率及端面收缩率变化不明显， 但均能满足标准要求；随回火温度升高， 冲击值增加明显， 700 ℃回火后， 冲击平均值已达到110 J 左右， 韧脆转变温度呈下降趋势， 由曲线可知， 在660 ℃以下二次回火， 韧脆转变温度已高于0 ℃。

3.2.2 金相组织分析

12Cr 不同温度金相组织及晶粒度见表8 和图5。

图5 金相组织

表8 12Cr 不同温度段金相组织及晶粒度

从上述数据可知：

二次回火后的组织为回火索氏体组织， 随二次回火的升高， 晶粒度变化不明显， 均为4～6 级。

1Cr10Mo1NiWVNbN 淬火后为马氏体组织， 硬度大幅度提高， 该过程Cr、 Nb、 V 合金元素固溶于马氏体基体， 但淬火态的马氏体组织不稳定，回火后马氏体组织分解， 转变为细小的回火索氏体组织， 强度、 硬度相对淬火态有所降低， 但含Cr、 Nb、 V 元素的碳化大量析出于晶界， 使强度、硬度进一步提高， 同时回火后组织更加稳定， 热应力得到一定程度的消除。

随着回火温度的升高， 强度、 硬度升高， 塑性降低， 经分析应为Cr、 Nb、 V 碳化物粗化所致。同时根据FATT50 的结果可知， 随着回火温度的升高， 韧脆转变温度逐渐降低， 强度硬度降低。

1Cr10Mo1NiWVNbN 淬火后在该温度区回火，回火索氏体基体组织稳定， 未达到该材料的临界转化温度， 基体晶粒也不会长大， 从而保证了该回火温度段， 力学性能不会大幅降低。

4 结论

（1）该材料经过标准热处理制度调质后， 硬度强度提高明显， 塑性， 韧性均满足要求。

（2）随淬火升高， 强度， 硬度先升高后降低，1 075 ℃强度最优， 塑性即延伸率及断面收缩率逐渐升高， 冲击值先降低后升高， 韧脆转变温度呈先降低后升高， 1 075 ℃最优， 晶粒有长大的趋势， 但均能满足标准要求。

（3）随二次回火升高（580～700 ℃）， 12Cr 材料强度明显降低， 塑性变化不明显， 冲击显著提高，韧脆转变温度逐渐降低， 当温度低于660 ℃时，该指标已高于0 ℃。 12Cr 材料金相组织及晶粒度变化不大， 组织均为回火索氏体， 晶粒度4～6 级，但总体均满足标准的要求。