異種鋼轉(zhuǎn)子鍛件的開(kāi)發(fā)和制造

李紅

（哈爾濱汽輪機(jī)廠(chǎng)有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

1 引言

異種鋼轉(zhuǎn)子（MAR）中壓部分最大直徑為1100mm，低壓部分的最大軸身為φ1440mm，全長(zhǎng)5500mm。CrMoV 鋼和3.5%NiCrMoV 鋼之間的部位稱(chēng)為這兩種鋼混合成分的過(guò)渡區(qū)域，為了通過(guò)熱處理獲得預(yù)期的機(jī)械性能，這種過(guò)渡區(qū)的形狀和位置的確定成為極其重要的因素。而且，過(guò)渡區(qū)的軸對(duì)稱(chēng)性一旦被破壞，由于運(yùn)行期間周向熱膨脹系數(shù)不同，會(huì)因中心線(xiàn)的偏移而產(chǎn)生振動(dòng)，這對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是致命的。因此，在鋼錠制造和鍛造時(shí)要控制過(guò)渡區(qū)的形狀和位置，并保持其軸對(duì)稱(chēng)性，這是制造MAR的關(guān)鍵。此外，MAR 受到了嚴(yán)格的制約，因?yàn)楸仨毎旬惙N鋼接合的鍛件同時(shí)在不同條件下進(jìn)行熱處理。為此，本文進(jìn)行了以下的制造技術(shù)開(kāi)發(fā)。

2 MAR的制造

為掌握鋼錠的周向方位、過(guò)渡區(qū)的位置及其軸對(duì)稱(chēng)性，在各操作步驟前后作記號(hào)。用于作為電渣重熔電極的CrMoV 鋼和3.5%的NiCrMoV 鋼分別在電爐和鋼包精煉爐中獲得。把制出的CrMoV 鋼和3.5%NiCrMoV 鋼的鋼錠鍛造成圓棒形，再把兩者焊接成一根ESR 鋼錠。在鋼錠T部用氣刨法提取桶樣分析的試樣，因此該處出現(xiàn)了一個(gè)凹口，以此作為以后工序中確定周向方位的基準(zhǔn)。

為了在鍛造中確定過(guò)渡區(qū)的位置關(guān)系，在鍛造前，特殊金屬墊在ESR 鋼錠處和鋼錠表面分別做出過(guò)渡區(qū)開(kāi)始位置和終端位置的兩個(gè)標(biāo)記（軸心部和表層部2 處）。這種標(biāo)記用的金屬墊是專(zhuān)為MAR 新制的，用這種三角金屬墊一般不會(huì)像以前所做的標(biāo)記那樣，鍛造后在表面殘存很深的瑕疵。鍛造時(shí)使用了8000t 和10000t 鍛壓機(jī)。鍛造后的低壓部分由于專(zhuān)用金屬墊的使用、多種測(cè)量方法的并用、鍛造方法的優(yōu)化（溫度，變形速度，L/D 比等），使過(guò)渡區(qū)的軸對(duì)稱(chēng)性保持在所要求的范圍內(nèi)。

為了鑒別回火后的鍛造鋼錠的過(guò)渡區(qū)，把外圍部分進(jìn)行機(jī)加工后，用便攜型熒光X 射線(xiàn)分析裝置對(duì)相當(dāng)于過(guò)渡區(qū)的部分進(jìn)行成分分析。沿軸長(zhǎng)方向的單向延伸最大為50mm，這對(duì)直徑為1500mm 左右的自由鍛件來(lái)說(shuō)是個(gè)良好的結(jié)果。

此外，內(nèi)部的過(guò)渡區(qū)形狀是根據(jù)超聲波探傷（UT）的回波分布來(lái)掌握的。過(guò)渡區(qū)截面的UT 檢查結(jié)果實(shí)例，根據(jù)結(jié)晶晶粒直徑的不同，其晶界線(xiàn)會(huì)在過(guò)渡區(qū)內(nèi)部出現(xiàn)。由外圍部表層分析結(jié)果和UC 檢查結(jié)果制出了鍛造鋼錠中的過(guò)渡區(qū)位置以及三維形狀圖。這種過(guò)渡區(qū)的三維形狀圖在以FEM為依據(jù)的熱穩(wěn)定性解析中也得到應(yīng)用。為了使運(yùn)行條件下軸心的移動(dòng)最小，使用熱穩(wěn)定性最佳化程序來(lái)決定制品在鍛造鋼錠中的位置，然后進(jìn)行調(diào)質(zhì)前的機(jī)加工。

為了使異種鋼鍛件經(jīng)過(guò)熱處理得到規(guī)定的性能，采用了高低壓一體化轉(zhuǎn)子調(diào)質(zhì)方法——偏差熱處理方法。由于熱處理?xiàng)l件復(fù)雜，要根據(jù)FEM 熱分析結(jié)果求出這種MAR中的最合適的偏差熱處理?xiàng)l件。從熱分析的結(jié)果來(lái)看，在調(diào)質(zhì)熱處理中，把CrMoV 鋼和3.5%NiCrMoV 鋼分別加熱到970°C 和670°C，通過(guò)對(duì)CrMoV 鋼和3.5%NiCrMoV 鋼分別實(shí)施強(qiáng)制空冷和噴水冷卻進(jìn)行淬火，然后再對(duì)其分別實(shí)施670°C 和600°C的偏差回火。

3 MAR的質(zhì)量檢驗(yàn)

進(jìn)行調(diào)質(zhì)后的材料試驗(yàn)和無(wú)損檢查后的分別加工，實(shí)施熱穩(wěn)定性試驗(yàn)。測(cè)量軸心移動(dòng)的熱穩(wěn)定性試驗(yàn)是用以下方法進(jìn)行的：從室溫開(kāi)始漸漸加熱，中壓部分加熱到621℃，低壓部分加熱到399℃，然后保持此狀態(tài)24h，再測(cè)量降溫到室溫時(shí)的外圍偏差程度。連續(xù)測(cè)量各溫度下外圍的偏差，以求出加熱和停止時(shí)軸心的移動(dòng)量。經(jīng)確認(rèn)，軸心的移動(dòng)量在設(shè)計(jì)目標(biāo)值以下，故可應(yīng)用于實(shí)際。

軸心部分沿長(zhǎng)度方向的成分分布，過(guò)渡區(qū)從B 端（發(fā)電機(jī)側(cè)）約2500mm 處開(kāi)始，在3500mm 處完全變成3.5%NiCrMoV 鋼成分。灰色的濃淡交界區(qū)是CrMoV 鋼和過(guò)渡區(qū)的界線(xiàn)。界線(xiàn)的位置與根據(jù)外圍部成分分析結(jié)果和UC檢查結(jié)果推算出的位置完全一致，這顯示了MAR 制造中開(kāi)發(fā)的過(guò)渡區(qū)確定方法的有效性。

制造的MAR 各部位的機(jī)械性能。中壓部分和低壓部分的材料性能都與分別用CrMoV 鋼和3.5%NiCrMoV 鋼制造的轉(zhuǎn)子基本相同，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)值要求。

這根MAR 也叫做ESR 制品，已確認(rèn)，通過(guò)從外圍開(kāi)始的UT 檢查，缺陷很少，充分滿(mǎn)足了規(guī)定的質(zhì)量要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文開(kāi)發(fā)的適用合缸用轉(zhuǎn)子材料的MAR，化學(xué)成分、力學(xué)性能以及熱穩(wěn)定性等方面都符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。加大了MAR的設(shè)計(jì)自由度，能進(jìn)一步提高汽輪機(jī)的效率。