分享：汽轮机叶片用不锈钢偏析缺陷成因分析及改善措施

摘 要:汽轮机叶片用２Cr１２NiMo１W１V 不锈钢心部易出现偏析缺陷,影响产品合格率.通过 试验研究和分析了偏析缺陷产生的原因.结果表明:试验钢出现偏析缺陷是由于其精炼后凝固过 程中冷却速度和电渣重熔过程中熔池凝固速度均偏慢.通过改进冶炼工艺,将试验钢浇注温度和 电渣重熔速度均降低,可有效改善偏析缺陷.

关键词:２Cr１２NiMo１W１V 不锈钢;偏析;浇注温度;电渣重熔

中图分类号:TF１４２;TF７４４ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６０２Ｇ０５

为减少环境污染,提高火电汽轮机的热效率,研 发高效、低耗、节能的超临界、超超临界汽轮机发电机 组是火电行业的主要发展趋势[１].２Cr１２NiMo１W１V 不锈钢在Cr１２马氏体不锈钢的基础上加入镍、钼、钒 和钨等冶炼而成,它不仅具有Cr１２马氏体不锈钢抗 氧化、抗腐蚀的性能,还具有组元弥散所带来良好的 热强性能、热稳定性能和较好的综合力学性能,广泛 应用于３００ MW 汽轮机发电机组的叶片、缸体、转 子等零部件的制造[２].

由于马氏体不锈钢在高温下的热加工性能较理 想,目前国内有关２Cr１２NiMo１W１V 不锈钢的研究主 要集中在冶炼和热处理等方面.罗通伟等[３]研究了 ２Cr１２NiMo１W１V不锈钢热轧生产工艺,提出控制钢 中δＧ铁素体含量的措施.由于２Cr１２NiMo１W１V 不 锈钢比其他不锈钢具有更高的碳含量,碳化物偏析 缺陷成为其组织控制的一项难题.随着国内汽轮机 厂对原材料检验水平的提高,由碳化物偏析条带导 致的磁粉探伤不合格问题成为影响钢材合格率的一 个主要原因.近年来,某些企业生产的钢材废品率 达到２０％,给其自身和下游汽轮机厂均造成较大的 经济损失.目前,国内外关于２Cr１２NiMo１W１V 不锈 钢中 碳 化 物 偏 析 问 题 的 研 究 鲜 有 报 道,研 究 ２Cr１２NiMo１W１V不锈钢中碳化物偏析的成因并优 化工艺,可减少生产方和下游汽轮机厂的损失,具有 十分重要的意义.为此,笔者以２Cr１２NiMo１W１V 不锈钢加工的汽轮机发电机组用叶片为研究对象,分析 了叶片偏析缺陷形成的原因,修正了初冶炼和重熔工 艺的参数,并对参数修正后的缺陷情况进行了统计, 以期有效改善钢材的质量,提升叶片的检验合格率.

１ 试样制备与试验方法

试验材料为２Cr１２NiMo１W１V 不锈钢,由抚顺 特殊钢股份有限公司提供,其化学成分见表１.

试验材料采用 GWＧ３０t型非真空中频感应炉＋ 炉外精炼(LF＋VOD＋VD)＋电渣重熔冶炼连铸成 型,钢锭尺寸由?４７０mm 经电极重熔至?６１０mm, 经过８５０型初轧机开坯,用５４０型精轧机轧制成方 扁钢,经辊底炉调质后冷加工为成品叶片.

在叶片偏析缺陷处截取金相试样,根据 GB/T ２２６－２０１５«钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法»,用 CuSO４ 溶 液 浸 蚀,根 据 SAE AMS２３１５E－２００１ DeterminationofDeltaFerriteContent的 要 求,采 用 GX５１型倒置金相显微镜观察浸蚀后的显微组 织.根据JB/T９６２８－２０１７«汽 轮 机 叶 片 磁 粉 检 测方法»,采用 CDQＧ６０００型磁粉探伤仪对叶片进 行磁粉探伤,目测观察叶片偏析缺陷的宏观形貌, 并采用 EV０１８ 型 扫 描 电 镜(SEM)观 察 缺 陷 处 组 织的微观形貌,使用附带的能谱仪(EDS)进行微区 成分分析.

２ 试验结果与分析

２．１ 宏观形貌分析

磁粉探伤显示出的叶片偏析缺陷的宏观形貌如 图１所示,可见叶片心部出现了较为清晰的偏析磁 痕条带.

２．２ 微观形貌及成分分析

由图２可以看出,叶片存在明显的偏析条带,放 大后观察到白色偏析条带有一定的宽度,内部包裹 着颗粒状析出物.

由图３所示的叶片偏析缺陷的 EDS线扫描结果 可知,该偏析条带主要由铬、钼、钨和铁等元素组成.

由图４和表２所示的叶片偏析缺陷的 EDS点 扫描结果可知,偏析条带所在的白色区域(位置 A) 含有铬、碳、钨、钼等元素,且含量均高于基体(位置 B)２~４倍.推测该偏析条带主要由铬的碳化物组 成,同时还有含量高于基体的钼和钨的碳化物,周围 有少量的铁素体组织.

３ 工艺调整

由上述试验结果可知,叶片偏析缺陷为典型的 冶金缺陷,通过后续热处理仅可在一定程度上减轻, 必须调整冶金工艺,才能改善甚至从根本上消除该 缺陷的出现.

试验钢在浇注过程中,表面冷却速度大于心部 冷却速度,由表面向心部凝固.根据凝固原理,将试 验钢锭视为“溶质再分配过渡区”,钢锭表面是溶质 再分配的最初过渡区,心部是最后过渡区,两者之间是稳态 区.将 铁 元 素 视 为 叶 片 钢 液 中 的 溶 剂 (液 相),其他金属元素为溶质(固相).钢锭中各金属元 素的平均浓度为C０.随着钢锭温度降低,钢锭表面 和近表面因具有足够的过冷度会优先凝固,此时凝 固的溶质浓度低于C０,C０可用Shceil公式计算[４Ｇ５]

式中:Cs 为固液界面固相溶质(合金元素)浓度;fs 为固相体积分数;Cl 为固液界面液相溶质浓度;fl 为液相体积分数.

根据溶 质 再 分 配 原 理,多 余 的 溶 质 在 固 液 界 面富集后会 向 钢 锭 心 部 转 移,使 其 表 面 的 溶 质 浓 度低于心 部 的 溶 质 浓 度.随 着 温 度 降 低,钢 锭 心 部最后凝固,此 时 心 部 的 溶 质 元 素 含 量 比 其 他 部 位的高,由于铬为低熔点元素,因而更易富集在钢 锭心部[６].由于碳原子半径很小且属于间隙固溶 元素,与铬的亲和力较强,钢锭心部富集的铬极易 与碳形成 铬 的 碳 化 物.而 铬 易 形 成 铁 素 体,其 中 体心立方结 构 铁 素 体 溶 解 碳 元 素 的 能 力 较 差,因 而钢锭中铁素体和铬碳化物共同存在[７Ｇ１０],从而出 现偏析条带.含碳 量 大 于 ０．２％ 的 钢 锭 中 极 易 出 现偏析条带,且 轧 材 出 现 该 缺 陷 的 可 能 性 大 于 锻 材出现该缺陷的可能性.

综上所述,在电炉冶炼环节,降低浇注温度能加速试验钢电极凝固,从而减少因凝固速度差异带来 的偏析缺陷.根据试验钢的化学成分计算出其熔点 为１４８０ ℃,而试验钢最初浇注温度为１５６０ ℃,根 据钢厂的 实 际 生 产 经 验,将 试 验 钢 的 浇 注 温 度 由 １５６０ ℃降至１５４５ ℃.

在电渣重熔环节,降低熔速能改变熔池形状,熔 滴速度减慢,相对凝固过程加快,减少了钢锭心部与 其他部位凝固时间的差异,从而减少了偏析缺陷生 成的可能性.通过修改电流、电压等工艺参数,将电 渣重熔速度由９．９kgmin－１降至８．５kgmin－１.

４ 新工艺验证

经统计,采用原工艺生产的２Cr１２NiMo１W１V 电渣钢锭共有１０４个,其中有２０个钢锭的叶片成品 因出现偏 析 条 带 缺 陷 未 通 过 产 品 检 验,废 品 率 为 １９％,相关统计数据如图５所示.

从图５可以看出,报废叶片的质量与浇注温度 和电渣重熔速度存在对应关系,这也验证了上述分 析结果.

在原生产工艺的基础上,通过降低浇注温度和 电渣 重 熔 速 度 新 生 产 了 ２００ 个 ２Cr１２NiMo１W１V 电渣钢 锭.对 每 个 钢 锭 进 行 磁 粉 探 伤 发 现,共 有 ４个钢锭存在偏析磁痕缺陷,废品率仅为２％,较之 前１９％的废品率,改善效果显著.经过分析发现, 虽然出现问题的４个钢锭浇注温度控制合理(低于 １５５０ ℃),但电渣重熔速度较大,分别为９．１,８．９, ９．３,９．０kgmin－１,而其他未检测到偏析磁痕缺陷 的钢锭平均重熔速度为８．５kgmin－１.

由图６可以看出,未检测到偏析磁痕缺陷的钢 锭组织中仍存在偏析条带,但其偏析的程度较小,无 明显的碳化物偏析线,通过磁粉探伤手段检测不到 缺陷的存在.

５ 结论

(１)２Cr１２NiMo１W１V 不锈钢叶片中的偏析缺 陷主要由铬、钼、钨的碳化物组成,其形成原因是试 验钢精炼后凝固时的冷却速度和电渣重熔时熔池的 凝固速度偏慢.

(２)将２Cr１２NiMo１W１V 不锈钢的浇注温度降 至１５４５ ℃,缩短钢锭心部和表面凝固的时间间隔, 并将电渣重熔速度降至８．５kgmin－１,可有效改善 偏析缺陷,提升成品叶片的检验合格率.

参考文献:

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<文章来源 > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 55卷 > 9期 (pp:602-606)>