叶片锻件热处理工艺

叶片是汽轮机重要零件之一，对其性能要求非常严格。K11C64A 是日本某公司生产动叶片的材料，该材料是在11％Cr 钢中加入Nb、Mo、V 等缩小奥氏相区的铁素体形成元素，使钢具有马氏体相变硬化的能力‚经热处理后得到的一种马氏体耐热不锈钢。由于在国内采购该材料并试生产成品叶片，国内还没有成熟的热处理工艺规范。本文从该材料的性能要求探讨其叶片锻件的热处理工艺。1材料的成分及性能要求 1.1　K11C64A材料叶片锻件是重要的二级锻件，锻件用原材料电渣钢热轧棒必须符合GB/T8732-1988《汽轮机叶片用钢》等技术标准及有关所颁技术条件的规定，原材料经复检合格，剥皮后去除表面缺陷后，方可投入使用。材料要求的化学成分如表1。1.2　成品叶片的性能要求　注：冲击试验温度：20±2℃。

2热处理设备及工艺 2.1　热处理设备    K11C64A 材料叶片锻件热处理工艺试验加热设备均采用RJX－45－9、RJX－75－13工业电炉，锻件装炉前应清除炉内异物，杜绝混料，按工艺要求检验控温仪表。2.2　原热处理工艺    该材料锻件最终使用为调质状态，借鉴国内成分接近的材料试生产时采用以下规范。1） 预备热处理    K11C64A 材料叶片锻件的预备热处理即锻后热处理，目的是消除锻造缺陷和应力，改善其组织，促使充分聚集的碳化物固溶，并可保证所要求的力学性能，其预备热处理规范为850℃预热＋(740±10）℃回火／空冷。2） 最终热处理a．淬火　K11C64A 材料叶片锻件淬火加热温度越高，碳化物溶解的越多，当加热至1000℃时，碳化物已全部溶解，若加热温度过高，会产生过多的δ－铁素体，使钢的性能恶化，主要是强韧性、疲劳性能、蠕变性能降低。因此‚淬火加热温度应以保证既充分奥氏体化，但又只产生少量的δ-铁素体为原则，以（1090±10℃为宜‚该钢的淬硬性和淬透性好，小于Φ200mm 的工件均可淬透，故对类似叶片锻件的薄壁件，为避免过快的冷却速度造成变形和开裂缺陷‚试制时采用了强风冷却。b．回火　回火是一个十分重要的工序，将对最终力学性能产生显著影响，锻件淬火后处于不稳定的组织状态，内应力也很大，必须经过回火，促使淬火后的不稳定的组织向稳定组织转变。此时马氏体中的碳以ε碳化物的形式析出，使马氏体的过饱和度降低，析出的碳化物以极细小的片状分布在马氏体的基体上，形成回火组织，回火采用温度为(640±10) ℃，保温5h。    热处理加热曲线见图1。  热处理后在叶身取样，经过理化检验测试，性能如表4：  性能全部符合表2的要求‚但高温持久试验20h 时就发生断裂。2.3　热处理工艺改进及分析   将淬火后强风冷却改为油冷，同时把回火温度降为（640±10）℃，经过热处理工艺改进后的锻件，理化检验测试性能如表5：    性能全部符合表2的要求，高温持久试验24h未发现断裂现象。 叶片锻件热处理后的金相组织为典型的板条状马氏体，板条中局部区域存在高密度位错，在晶界和板条中还有一定的点状碳化物。组织晶粒比较细小，由于马氏体相的增韧、高密度位错的强化以及碳化物弥散析出所产生的时效硬化，使得具有较高的综合力学性能。    研究表明，要提高钢的断裂抗力，即提高持久强度，必须抑制晶界的滑动和空位扩散，也就是说要控制晶内和晶界的扩散过程。这种扩散过程主要取决于合金的化学成分，但又与冶炼工艺、热处理工艺等因素密切相关。高铬耐热钢一般采用细小弥散的碳化物沉淀强化以及马氏体板条界形成稳定的碳化物来提高其强度。因为细小弥散的碳化物粒子在提高材料强度的同时，可起到钉扎位错、阻碍位错运动，从而进一步提高耐热钢强度的作用。在材料淬火强风冷却过程中，由于冷却速度的原因，晶粒较油冷的材料粗大，碳化物甚至仍有团聚现象，故其持久性能不佳。    回火温度过高，会导致材料的强度、硬度下降较多，显然亦不利于材料的持久性能，故在实际使用中，适当降低回火温度，提高材料的综合力学性能。3结语 1） K11C64A 材料叶片锻件的预备热处理规范是：850℃预热＋（740±10）℃回火／空冷。最终热处理工艺为淬火（1090±10）℃＋回火（640±10）℃，淬火冷却应使用油冷‚不应用强风冷却。2） 叶片锻件热处理后的金相组织为典型的板条状马氏体，板条中局部区域存在高密度位错，在晶界和板条中还有一定的点状碳化物。这种组织决定了该材料具有较高的综合力学性能‚特别是高温持久性能。