分享：汽輪機葉片用不銹鋼偏析缺陷成因分析及改善措施
摘 要:汽輪機葉片用２Cr１２NiMo１W１V 不銹鋼心部易出現偏析缺陷,影響產品合格率.通過 試驗研究和分析了偏析缺陷產生的原因.結果表明:試驗鋼出現偏析缺陷是由于其精煉后凝固過 程中冷卻速度和電渣重熔過程中熔池凝固速度均偏慢.通過改進冶煉工藝,將試驗鋼澆注溫度和 電渣重熔速度均降低,可有效改善偏析缺陷.
關鍵詞:２Cr１２NiMo１W１V 不銹鋼;偏析;澆注溫度;電渣重熔
中圖分類號:TF１４２;TF７４４ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６０２Ｇ０５
為減少環境污染,提高火電汽輪機的熱效率,研 發高效、低耗、節能的超臨界、超超臨界汽輪機發電機 組是火電行業的主要發展趨勢[１].２Cr１２NiMo１W１V 不銹鋼在Cr１２馬氏體不銹鋼的基礎上加入鎳、鉬、釩 和鎢等冶煉而成,它不僅具有Cr１２馬氏體不銹鋼抗 氧化、抗腐蝕的性能,還具有組元彌散所帶來良好的 熱強性能、熱穩定性能和較好的綜合力學性能,廣泛 應用于３００ MW 汽輪機發電機組的葉片、缸體、轉 子等零部件的制造[２].
由于馬氏體不銹鋼在高溫下的熱加工性能較理 想,目前國內有關２Cr１２NiMo１W１V 不銹鋼的研究主 要集中在冶煉和熱處理等方面.羅通偉等[３]研究了 ２Cr１２NiMo１W１V不銹鋼熱軋生產工藝,提出控制鋼 中δＧ鐵素體含量的措施.由于２Cr１２NiMo１W１V 不 銹鋼比其他不銹鋼具有更高的碳含量,碳化物偏析 缺陷成為其組織控制的一項難題.隨著國內汽輪機 廠對原材料檢驗水平的提高,由碳化物偏析條帶導 致的磁粉探傷不合格問題成為影響鋼材合格率的一 個主要原因.近年來,某些企業生產的鋼材廢品率 達到２０％,給其自身和下游汽輪機廠均造成較大的 經濟損失.目前,國內外關于２Cr１２NiMo１W１V 不銹 鋼中 碳 化 物 偏 析 問 題 的 研 究 鮮 有 報 道,研 究 ２Cr１２NiMo１W１V不銹鋼中碳化物偏析的成因并優 化工藝,可減少生產方和下游汽輪機廠的損失,具有 十分重要的意義.為此,筆者以２Cr１２NiMo１W１V 不銹鋼加工的汽輪機發電機組用葉片為研究對象,分析 了葉片偏析缺陷形成的原因,修正了初冶煉和重熔工 藝的參數,并對參數修正后的缺陷情況進行了統計, 以期有效改善鋼材的質量,提升葉片的檢驗合格率.
１ 試樣制備與試驗方法
試驗材料為２Cr１２NiMo１W１V 不銹鋼,由撫順 特殊鋼股份有限公司提供,其化學成分見表１.
試驗材料采用 GWＧ３０t型非真空中頻感應爐＋ 爐外精煉(LF＋VOD＋VD)＋電渣重熔冶煉連鑄成 型,鋼錠尺寸由?４７０mm 經電極重熔至?６１０mm, 經過８５０型初軋機開坯,用５４０型精軋機軋制成方 扁鋼,經輥底爐調質后冷加工為成品葉片.
在葉片偏析缺陷處截取金相試樣,根據 GB/T ２２６－２０１５«鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法»,用 CuSO４ 溶 液 浸 蝕,根 據 SAE AMS２３１５E－２００１ DeterminationofDeltaFerriteContent的 要 求,采 用 GX５１型倒置金相顯微鏡觀察浸蝕后的顯微組 織.根據JB/T９６２８－２０１７«汽 輪 機 葉 片 磁 粉 檢 測方法»,采用 CDQＧ６０００型磁粉探傷儀對葉片進 行磁粉探傷,目測觀察葉片偏析缺陷的宏觀形貌, 并采用 EV０１８ 型 掃 描 電 鏡(SEM)觀 察 缺 陷 處 組 織的微觀形貌,使用附帶的能譜儀(EDS)進行微區 成分分析.
２ 試驗結果與分析
２．１ 宏觀形貌分析
磁粉探傷顯示出的葉片偏析缺陷的宏觀形貌如 圖１所示,可見葉片心部出現了較為清晰的偏析磁 痕條帶.
２．２ 微觀形貌及成分分析
由圖２可以看出,葉片存在明顯的偏析條帶,放 大后觀察到白色偏析條帶有一定的寬度,內部包裹 著顆粒狀析出物.
由圖３所示的葉片偏析缺陷的 EDS線掃描結果 可知,該偏析條帶主要由鉻、鉬、鎢和鐵等元素組成.
由圖４和表２所示的葉片偏析缺陷的 EDS點 掃描結果可知,偏析條帶所在的白色區域(位置 A) 含有鉻、碳、鎢、鉬等元素,且含量均高于基體(位置 B)２~４倍.推測該偏析條帶主要由鉻的碳化物組 成,同時還有含量高于基體的鉬和鎢的碳化物,周圍 有少量的鐵素體組織.
３ 工藝調整
由上述試驗結果可知,葉片偏析缺陷為典型的 冶金缺陷,通過后續熱處理僅可在一定程度上減輕, 必須調整冶金工藝,才能改善甚至從根本上消除該 缺陷的出現.
試驗鋼在澆注過程中,表面冷卻速度大于心部 冷卻速度,由表面向心部凝固.根據凝固原理,將試 驗鋼錠視為“溶質再分配過渡區”,鋼錠表面是溶質 再分配的最初過渡區,心部是最后過渡區,兩者之間是穩態 區.將 鐵 元 素 視 為 葉 片 鋼 液 中 的 溶 劑 (液 相),其他金屬元素為溶質(固相).鋼錠中各金屬元 素的平均濃度為C０.隨著鋼錠溫度降低,鋼錠表面 和近表面因具有足夠的過冷度會優先凝固,此時凝 固的溶質濃度低于C０,C０可用Shceil公式計算[４Ｇ５]
式中:Cs 為固液界面固相溶質(合金元素)濃度;fs 為固相體積分數;Cl 為固液界面液相溶質濃度;fl 為液相體積分數.
根據溶 質 再 分 配 原 理,多 余 的 溶 質 在 固 液 界 面富集后會 向 鋼 錠 心 部 轉 移,使 其 表 面 的 溶 質 濃 度低于心 部 的 溶 質 濃 度.隨 著 溫 度 降 低,鋼 錠 心 部最后凝固,此 時 心 部 的 溶 質 元 素 含 量 比 其 他 部 位的高,由于鉻為低熔點元素,因而更易富集在鋼 錠心部[６].由于碳原子半徑很小且屬于間隙固溶 元素,與鉻的親和力較強,鋼錠心部富集的鉻極易 與碳形成 鉻 的 碳 化 物.而 鉻 易 形 成 鐵 素 體,其 中 體心立方結 構 鐵 素 體 溶 解 碳 元 素 的 能 力 較 差,因 而鋼錠中鐵素體和鉻碳化物共同存在[７Ｇ１０],從而出 現偏析條帶.含碳 量 大 于 ０．２％ 的 鋼 錠 中 極 易 出 現偏析條帶,且 軋 材 出 現 該 缺 陷 的 可 能 性 大 于 鍛 材出現該缺陷的可能性.
綜上所述,在電爐冶煉環節,降低澆注溫度能加速試驗鋼電極凝固,從而減少因凝固速度差異帶來 的偏析缺陷.根據試驗鋼的化學成分計算出其熔點 為１４８０ ℃,而試驗鋼最初澆注溫度為１５６０ ℃,根 據鋼廠的 實 際 生 產 經 驗,將 試 驗 鋼 的 澆 注 溫 度 由 １５６０ ℃降至１５４５ ℃.
在電渣重熔環節,降低熔速能改變熔池形狀,熔 滴速度減慢,相對凝固過程加快,減少了鋼錠心部與 其他部位凝固時間的差異,從而減少了偏析缺陷生 成的可能性.通過修改電流、電壓等工藝參數,將電 渣重熔速度由９．９kgmin－１降至８．５kgmin－１.
４ 新工藝驗證
經統計,采用原工藝生產的２Cr１２NiMo１W１V 電渣鋼錠共有１０４個,其中有２０個鋼錠的葉片成品 因出現偏 析 條 帶 缺 陷 未 通 過 產 品 檢 驗,廢 品 率 為 １９％,相關統計數據如圖５所示.
從圖５可以看出,報廢葉片的質量與澆注溫度 和電渣重熔速度存在對應關系,這也驗證了上述分 析結果.
在原生產工藝的基礎上,通過降低澆注溫度和 電渣 重 熔 速 度 新 生 產 了 ２００ 個 ２Cr１２NiMo１W１V 電渣鋼 錠.對 每 個 鋼 錠 進 行 磁 粉 探 傷 發 現,共 有 ４個鋼錠存在偏析磁痕缺陷,廢品率僅為２％,較之 前１９％的廢品率,改善效果顯著.經過分析發現, 雖然出現問題的４個鋼錠澆注溫度控制合理(低于 １５５０ ℃),但電渣重熔速度較大,分別為９．１,８．９, ９．３,９．０kgmin－１,而其他未檢測到偏析磁痕缺陷 的鋼錠平均重熔速度為８．５kgmin－１.
由圖６可以看出,未檢測到偏析磁痕缺陷的鋼 錠組織中仍存在偏析條帶,但其偏析的程度較小,無 明顯的碳化物偏析線,通過磁粉探傷手段檢測不到 缺陷的存在.
５ 結論
(１)２Cr１２NiMo１W１V 不銹鋼葉片中的偏析缺 陷主要由鉻、鉬、鎢的碳化物組成,其形成原因是試 驗鋼精煉后凝固時的冷卻速度和電渣重熔時熔池的 凝固速度偏慢.
(２)將２Cr１２NiMo１W１V 不銹鋼的澆注溫度降 至１５４５ ℃,縮短鋼錠心部和表面凝固的時間間隔, 并將電渣重熔速度降至８．５kgmin－１,可有效改善 偏析缺陷,提升成品葉片的檢驗合格率.
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<文章來源 > 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 55卷 > 9期 (pp:602-606)>
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