汽轮机转子锻件高温扩散退火工艺的试验研究

刘鑫刚　陈　欢　金　淼　王玉辉　张清华

1.先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室(燕山大学)，秦皇岛，0660042.燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，秦皇岛，0660043.中国第二重型机械集团公司，德阳，618000

汽轮机转子锻件高温扩散退火工艺的试验研究

刘鑫刚1陈欢1金淼1王玉辉2张清华3

1.先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室(燕山大学)，秦皇岛，0660042.燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，秦皇岛，0660043.中国第二重型机械集团公司，德阳，618000

基于试验方法，结合高中压汽轮机转子锻件实际生产工艺，研究了不同保温时间、锻造火次处理后晶粒尺寸、组织、力学性能的变化规律，揭示了高温扩散退火对30Cr1Mo1V钢的影响。试验结果表明：高温扩散退火可消除因枝晶偏析与锻造变形产生的条带组织；只在锻前进行高温扩散退火，试样晶粒尺寸较小，且扩散的均质化作用提高了30Cr1Mo1V钢的横向韧性；锻后长时间高温加热将导致晶粒过大、组织粗化，大大降低了韧性；高温扩散退火对30Cr1Mo1V钢塑性无显著影响。

30Cr1Mo1V；高温扩散退火；组织；力学性能

0　引言

大型锻件生产中的高温扩散退火工艺是20世纪70年代从国外引进的，主要是为了减轻或消除钢锭中的枝晶偏析，提高锻件的力学性能。最初该工艺主要用于转子锻件，随后又出现在轧辊、容器等大型锻件的生产中[1]。由于大型锻件的生产工序繁多，而高温扩散退火需要在高温状态下对钢锭或锻件进行长时间保温，不仅能耗大，而且延长了生产周期，因此，高温扩散退火保温时间的长短甚至存与废一直有诸多争议。

随着大型锻件产量的快速增长，以及来自成本、节能减排的压力，锻造企业逐步减少甚至取消了高温扩散退火工艺。但随之而来的是产品性能产生了较大的波动，尤其是韧性[2]，某些产品的力学性能甚至低于采购标准，造成锻件的报废，带来了巨大的经济损失。

高温扩散退火工艺最主要的两个参数是加热温度和保温时间，就加热温度而言，大多数文献认为碳钢应在1100～1200 ℃,合金钢应在1200～1300 ℃范围内，而各企业的生产规范及资料中对高温扩散退火应在哪些火次中进行亦有不同看法，有的主张只在钢锭开坯前使用，有的主张在大变形锻造前后的加热火次中均使用。

国内外学者已开始关注高温扩散退火工艺，并进行了相应的研究工作[3-5]。文献[6-7]针对锻前高温扩散退火工艺进行了大量试验研究，系统地分析了高温加热对2.25Cr-1Mo-0.25V钢锭合金元素均质化过程的影响，给出了树枝晶等组织的演化过程，并揭示了高温扩散退火对力学性能的影响规律。文献[8]通过分析合金钢锭中Cr元素在原始铸态及高温均质化后的偏析状态，试图建立该元素的扩散动力学模型，以探索钢锭高温扩散退火的基础理论。

本文基于高中压汽轮机转子锻件的生产工艺，通过试验方法，研究不同高温扩散退火工艺中30Cr1Mo1V钢晶粒尺寸、组织、力学性能的演变，分析保温时间、锻造火次等工艺参数的影响规律，为该工艺的制定提供理论支撑。

1　试验方案

30Cr1Mo1V钢作为高中压汽轮机转子用材料，具有良好的工艺性能及高温性能。试验材料取自大气浇注钢锭，经检测，其主要化学成分见表1。

表1　试验用30Cr1Mo1V钢的化学成分

根据某锻造厂30Cr1Mo1V高中压汽轮机转子的生产规范，制定了试样处理过程：钢锭中取样→锻前高温扩散退火→锻造变形(拔长锻比为3.0)→锻后高温扩散退火→热处理→制样→力学性能试验。

高温扩散退火的加热温度θ均为1250 ℃，保温时间t分别为10 h、15 h、20 h、30 h。热处理工艺过程如图1所示。

图1　试样的热处理工艺过程示意图

2　高温扩散退火前后晶粒组织的变化

(a)无高温扩散退火

(b)1250 ℃下锻后保温30 h图2　30Cr1Mo1V钢不同高温扩散退火后的晶粒

图2为30Cr1Mo1V钢不同高温扩散退火处理后的晶粒组织照片，图3为利用Image-Pro Plus定量金相分析软件计算得到的不同高温扩散退火工艺处理后晶粒尺寸分布图，其中(A,B)表示锻前高温扩散退火保温时间为A，锻后高温扩散退火保温时间为B，下同。

由图2a、图3a可见，试验用30Cr1Mo1V钢若不进行高温扩散退火，经锻造、热处理后晶粒均匀、细小，晶粒尺寸主要分布在10～40 μm范围内。高温扩散退火处理后，晶粒尺寸均有长大的趋势。对比分析图3a～图3d可知，随着保温时间的延长，晶粒尺寸逐渐长大，且晶粒尺寸的不均匀程度增大。当锻前、锻后保温时间均达到30 h时，晶粒尺寸主要分布在40～60 μm范围内，甚至出现了尺寸达100 μm的粗大晶粒。

对比分析图3a、图3d、图3e、图3f可知，高温扩散退火在不同加热火次中进行，对晶粒尺寸亦有较大的影响。只在锻前进行高温扩散退火试样与无高温扩散退火试样的晶粒尺寸分布较为接近，主要原因是热变形中的动态再结晶等过程细化了晶粒，且锻造后无高温长时间保温，热处理后的晶粒尺寸较小；而由于图3e所示试样在锻造前进行了30 h高温扩散退火，其奥氏体晶粒尺寸长大，故最终得到的晶粒尺寸亦较大。若锻后有高温扩散退火，则热变形细化后的晶粒尺寸在加热过程中长大，热处理后的晶粒尺寸亦较大，尤其是锻造前后均进行30 h保温的试样，晶粒尺寸粗化较为严重。

(a)无高温扩散退火(b)保温时间(10 h,10 h)

(c)保温时间(20 h,20 h)(d)保温时间(30 h,30 h)

(e)保温时间(30 h,0)(f)保温时间(0,30 h)图3　30Cr1Mo1V钢不同高温扩散退火工艺下晶粒尺寸分布图

就晶粒尺寸而言，应注意控制锻造后30Cr1Mo1V钢的加热保温时间，防止热处理后晶粒粗大。

3　高温扩散退火对组织的影响

图4为高温扩散退火时1250 ℃下不同保温时间的组织照片，该组织为回火索氏体+铁素体。

无高温扩散退火的试样出现了交替相间的条带组织[9]，这主要是枝晶偏析造成的。钢锭凝固过程中，先后凝固区域的合金元素含量有较大区别，其中最后凝固的枝晶间区域合金元素浓度较高。锻造过程中，该区域沿变形的方向拉长，形成了图4a所示的条带组织。白色块状铁素体亦呈不均匀化分布，其中白亮区域为原铸态组织中的一次、二次枝晶臂区域，合金元素含量较低，热处理后出现了大量块状铁素体，而黑色条带区为原铸态组织中的枝晶间区域，合金元素含量较高，未见大量块状铁素体，索氏体组织均匀弥散[10]。

(a)无高温扩散退火

(b)保温时间(10 h,10 h)

(c)保温时间(20 h,20 h)

(d)保温时间(30 h,30 h)图4　30Cr1Mo1V钢在1250℃下不同保温时间的组织

经过高温扩散退火10 h后，枝晶偏析得到改善，合金元素分布趋于均匀，条带组织消失，细小的碳化物均匀、弥散地分布在铁素体基体上，较大的块状铁素体减少，如图4b所示。高温扩散退火20 h后，随着合金元素分布均匀程度的提高，碳化物分布均匀，块状铁素体基本消失，组织为各向性能均良好的回火索氏体，如图4c所示。而高温扩散退火30 h后试样出现了大量的条状铁素体，其分布具有明显的方向性，如图4d所示，主要原因是30Cr1Mo1V钢的组织遗传性较强，长时间保温后的原奥氏体晶粒粗化，抑制了铁素体形核，导致冷却过程中可能出现粗大的贝氏体组织[11-12]。

图5为30Cr1Mo1V钢在1250 ℃下不同加热火次进行高温扩散退火的组织照片。由图5可见，无论高温扩散退火单独在锻前或锻后进行，均未见条带组织，合金元素分布较为均匀。只在锻前保温30 h的试样组织分布均匀，碳化物弥散分布，与无高温扩散退火试样(图4a)相比，铁素体分布均匀。只在锻后保温30 h的试样中出现了较粗大的条状铁素体，组织较图5a明显粗化，如图5b所示，与图4d所示锻前、锻后均进行30 h高温扩散退火的组织相似。

(a)保温时间(30 h,0)

(b)保温时间(0,30 h)图5　30Cr1Mo1V钢在1250 ℃下不同加热火次的组织

综上所述，高温扩散退火无论在30Cr1Mo1V钢锻前或锻后进行，均可提高合金元素分布的均匀程度，消除锻造产生的条带组织。但是锻后高温下长时间加热将导致晶粒尺寸长大，由于30Cr1Mo1V钢的组织遗传性较强，当晶粒尺寸过大时组织粗化严重，出现了大量具有方向性的铁素体，将影响材料的力学性能。

4　高温扩散退火对力学性能的影响

4.1高温扩散退火对冲击韧性的影响

图6所示为30Cr1Mo1V钢冲击韧性随高温扩散退火保温时间变化的关系。

由图6a可见，与无高温扩散退火的试样相比，若仅在锻前进行高温扩散退火则可增大30Cr1Mo1V钢的横向冲击功，而锻后高温扩散退火则有减小横向冲击功的趋势。无论高温扩散退火是在锻前、锻后或两火次均进行，随着保温时间的延长，横向冲击功均减小。

(a)横向冲击功随保温时间的变化

(b)纵向冲击功随保温时间的变化图6　冲击功随保温时间变化的关系

在1250 ℃下加热时，钢锭中的枝晶偏析将得到改善，合金元素分布均匀程度提高，且保温时间越长，均匀化效果越显著。但由前文可知，保温时间越长，晶粒尺寸越大，横向冲击功越低。锻前的高温扩散退火对晶粒尺寸影响并不显著，而合金元素均匀程度却有较大提高，因此，锻前高温扩散退火可增大30Cr1Mo1V钢的横向冲击功。若锻造后有较长时间的高温扩散退火，则晶粒长大的影响将超过合金元素均匀化的影响，减小30Cr1Mo1V钢的横向冲击功，即晶粒尺寸对30Cr1Mo1V钢的横向冲击功有着较大的影响。

由图6b可见，随着高温扩散退火保温时间的延长，30Cr1Mo1V钢的纵向冲击功大致呈增大的趋势，即合金元素均匀化有利于增大30Cr1Mo1V钢的纵向冲击功。但是锻前、锻后均保温30 h的试样，由于其奥氏体晶粒较大，组织粗化，导致纵向冲击功迅速减小，甚至接近30Cr1Mo1V钢高中压汽轮机转子锻件采购规范中要求的最低值8 J。4.2高温扩散退火对塑性的影响

图7所示为30Cr1Mo1V钢断面收缩率随保温时间变化的关系。由图7可见，高温扩散退火后试样的横向和纵向断面收缩率均在70%左右，无明显的增大和减小的趋势，保温时间的长短甚至有无均对热处理后锻件的断面收缩率没有明显的影响，即高温扩散退火对30Cr1Mo1V钢塑性没有显著的影响。

(a)横向断面收缩率随保温时间的变化

(b)纵向断面收缩率随保温时间的变化图7　断面收缩率随保温时间变化的关系

5　结论

(1)锻前高温扩散退火不仅可以提高合金元素的均匀程度，其形成的粗大晶粒还可通过锻造过程来改善，热处理后的晶粒尺寸较小；若在锻后进行高温长时间保温，则晶粒粗大，对30Cr1Mo1V钢的韧性影响明显。

(2)锻前或锻后进行高温扩散退火，均可消除30Cr1Mo1V钢中因枝晶偏析与锻造产生的条带组织；但锻后加热会使晶粒尺寸过大，将导致组织粗化，影响力学性能。

(3)锻前进行高温扩散退火可提高30Cr1Mo1V钢的横向韧性，锻后高温扩散退火则有降低横向韧性的趋势，晶粒尺寸对30Cr1Mo1V钢的横向韧性影响显著。奥氏体晶粒尺寸较小时，保温时间的延长可提高30Cr1Mo1V钢的纵向韧性。

(4)高温扩散退火对30Cr1Mo1V钢塑性没有显著影响。

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(编辑陈勇)

Experimental Research on High-temperature Diffusion Annealing Process of Steam Turbine Rotor Forgings

Liu Xingang1Chen Huan1Jin Miao1Wang Yuhui2Zhang Qinghua3

1.Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science (Yanshan University)，Ministry of Education of China，Qinhuangdao，Hebei，066004 2.National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling, Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei，066004 3.China National Erzhong Group Co.，Deyang，Sichuan，618000

Based on experiments, combined with the practical production of high pressure steam turbine rotor forgings, the variation of grain size, microstructure and mechanical properties in different holding times and forging fire times were studied, the influences of high-temperature diffusion annealing on 30Cr1Mo1V steel were revealed as well. The results show that the banded structure produced by dendritic segregation and forging deformation can be eliminated by high-temperature diffusion annealing. The grain size is smaller only before forging high-temperature diffusion annealing. The transverse toughness of the 30Cr1Mo1V steel can also be improved by homogenization. The grain and the structure are coarsened because of long time high temperature heating after forging, which leads to the worse toughness of the steel. Meanwhile, the plasticity of 30Cr1Mo1V steel is not influenced by the high-temperature diffusion annealing obviously.

30Cr1Mo1V；high-temperature diffusion annealing；microstructure；mechanical property

2013-08-16

国家自然科学基金资助项目(51005198)；河北省高等学校科学技术研究优秀青年基金资助项目(Y2012034)

TG316.2< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.01.016

刘鑫刚，男，1978年生。燕山大学机械工程学院副教授。主要研究方向为大型锻件工艺及优化。陈欢，女，1988年生。燕山大学机械工程学院硕士研究生。金淼，男，1968年生。燕山大学机械工程学院教授、博士研究生导师。王玉辉，男，1978年生。燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心实验师。张清华，男，1963年生。中国第二重型机械集团公司高级工程师。