汽轮机用1Cr12Ni2W1Mo1V模锻动叶片裂纹分析

李 波 何 芬 张 超 李林宽

(东方汽轮机有限公司，四川618000)

马氏体不锈钢1Cr12Ni2W1Mo1V因具有高强度和耐蚀性等特点，因此广泛应用于300 MW和600 MW汽轮机末级、次末级动叶片以及核电汽轮机动叶片中，但其模锻叶片在淬火后在叶根凸台位置时有裂纹发生。为研究导致模锻叶片开裂原因，对叶片裂纹位置进行了取样，采用各种方法进行分析及工艺技术研究，制定了有效纠正措施，并通过批量验证，确保了该类模锻叶片质量。

1 现状调查

该1Cr12Ni2W1Mo1V模锻叶片为采购回厂的∅120 mm圆钢，通过下料→开坯→开坯退火→模锻成型→退火→淬火(油)→二次回火→喷丸→打孔等工序完成毛坯阶段生产。从实际生产统计来看，经淬火后裂纹在叶根位置小凸台过渡位置如图1所示a区域，裂纹方向均与叶片Z向平行。

该模锻叶片经燃气炉加热，装炉量为25件，按加热规范加热至1140℃透烧后，在3 t模锻锤成形退火后，淬火炉1030℃均热保温后淬火油冷却，其中淬火后出现批量性叶片裂纹现象。裂纹形态示意图如图2所示。

图1 模锻叶片裂纹位置Figure 1 Crack position of die forging blade

2 化学成分分析

选取了1件裂纹模锻叶片进行了化学成分分析，分析结果见表1。缺陷的叶片材料为1Cr12Ni2W1Mo1V，该破坏试样化学成分符合相关技术规范要求。

3 力学性能试验

从试验叶片中加工了1个拉伸试样及2个冲击试样，进行拉伸、冲击和硬度试验，试验结果如表2所示，叶片力学性能符合相关技术规范要求。

4 金相组织检查

对该叶片进行破坏取样，所取试样为与叶根小凸台贯穿裂纹垂直面(取样位置见图1标识a处)。开裂模锻叶片的组织形貌如图3所示，具有明显的淬火裂纹特征。从金相组织检查来看，叶片组织为均匀的回火马氏体，晶粒度为5级。

5 原因分析

从该模锻叶片裂纹形态和分布可以分析出，叶片裂纹开口位置处和裂纹中间位置两侧有明显的氧化现象，说明裂纹在塑性成形阶段后淬火前就已形成。

图2 裂纹形态示意图Figure 2 Sketch of crack shape

CSiMnPSCrNiWMoVAl标准值测试值0.12～0.160.140.10～0.350.260.40～0.800.58≤0.0250.02≤0.0200.00110.50～12.5011.072.20～2.602.491.00～1.401.341.00～1.401.140.15～0.350.31≤0.050.01

表2 力学性能试验结果Table 2 Test results of mechanical properties

(a)中间位置

(b)芯部位置图3 组织形貌(×100)Figure 3 Structure appearance (×100)

另外，从破坏试样叶片中间及芯部位置形貌进行观察分析，裂纹的尾部尖细，两侧没有明显的氧化现象，具有十分明显的淬火裂纹特征。同时结合材料特性及生产实际，材料1Cr12Ni2W1Mo1V淬透性极强，在模锻后冷却就会出现马氏体转变(即叶片处于淬火态)。加之叶根小凸台R结构过渡位置表面因模锻时金属挤压变形形成细小折皱，在不打磨消除的情况下，淬火冷却时，该折皱在组织应力及热应力作用下扩展形成裂纹。所以该模锻叶片裂纹形成原因为：模锻叶片塑性变形后在叶根小凸台R处形成细小折叠，在热处理过程中形成淬火2次裂纹。

6 结论

通过鱼翅图并从人机料法环等环节对引起该模锻叶片模锻折叠及淬火裂纹进行分析，明确了以下原因：

(1)由于锻锤导轨间隙太大，锻锤存在左右偏摆，叶片锻造过程中形成细小折叠。

(2)由于叶根小凸台R过渡结构原因，在锻造过程中，R部分由于金属流动，在叶根处形成折叠。

(3)材料淬透性好，淬火油冷却速度快，组织转变剧烈，在淬火过程中组织应力太大，加之热应力，使折叠缺陷转变成裂纹，所以叶片裂纹产生的根本原因为设备、结构、淬火冷却等综合因素造成的。

为解决该类叶片再次出现裂纹，制定了相应对策，对设备进行调试，确保导轨间隙满足技术规范要求。对模锻成形工装R结构进行优化。

对淬火冷却方式进行调整试验。在保证设备导轨间隙的前提下，锻模叶根小凸台过渡R15 mm优化后，对淬火油冷调整为风冷进行试验研究，各项性能指标符合规范要求，批量生产验证未再出现该类模锻叶片裂纹质量问题。