燃气-蒸汽联合循环汽轮机2Cr13扭叶片模锻件毛坯生产工艺流程及质量控制要点

卞 吉

(南京汽轮电机(集团)有限责任公司，南京 210037)

燃气轮机是发电设备的高端装备，其技术含量和设计制造难度居所有机械设备前列，是机械制造行业的金字塔顶端，在国民经济和能源电力工业中有着重要的战略地位。联合循环汽轮机是指在燃气-蒸汽联合循环中使用的汽轮机。 汽轮机叶片是汽轮机的关键部件之一，动叶片主要有扭叶片和直叶片两种,结构复杂，品种数量多，对汽轮机性能影响大。叶片的数量约占汽轮机零件总数的1/7，其加工工时约占总工时的1/8，所以叶片模锻件设计质量、原材料质量及锻造、热处理过程质量严重影响和制约着汽轮机的整体性能和生产周期。

汽轮机动叶片毛坯目前有两种制造方法：一种是通过模锻形成形状类似成品叶片的模锻毛坯；另一种是通过方钢铣制成成品叶片。模锻毛坯一般用于叶片较长、形状较复杂的扭叶片和直叶片；方钢铣制一般用于叶片较短、形状较规则的直叶片[1]。本文针对某型号燃气-蒸汽联合循环汽轮机扭叶片模锻件毛坯生产过程质量控制要素进行重点分析，并提出具体的质量控制措施，以便更好地控制叶片产品的实物质量，保证机组整体质量水平和使用寿命。叶片在制造过程中，如果模具尺寸、强度有问题，叶片毛坯原材料及锻造、热处理过程质量控制不严，造成型线不符合图纸要求、内外部缺陷等质量问题导致叶片报废或使用寿命降低，进而影响汽轮机的整体质量，所以从源头上控制叶片原材料及锻造、热处理质量至关重要。

1 汽轮机2Cr13模锻叶片毛坯生产制造一般工艺流程

叶片在工作中承受着高温、高压、极大的离心力和蒸汽的交变应力,这就要求叶片零件具备较高的综合性能、良好的耐蚀性。

2Cr13属马氏体不锈钢，具有良好的淬透性，且材料价格不高，具备较好的物理性能、工艺性能和经济性。工件淬火后获得马氏体组织，淬火、回火后具备较好的综合性能，常用于制作汽轮机叶片。目前，许多汽轮机叶片均选用2Cr13材料生产叶片。汽轮机2Cr13模锻叶片毛坯生产制造一般工艺流程主要包含模具设计、原材料质量检测、锻造成型、热处理、模锻件验收五个重要环节(如图1所示)。模具设计属于技术准备环节，原材料质量检测属于材料准备环节，其中锻前加热、预锻制坯、坯料加热、模锻成型、模锻件切边属于锻造成型环节，模锻件验收属于交付把关环节。每个环节的质量均决定着模锻叶片毛坯的质量，并严重影响着后续加工质量和叶片的最终使用寿命。

图1 2Cr13模锻叶片毛坯生产的工艺流程图

2 叶片模锻件(模具)设计对后续产品质量的影响及控制措施

叶片模锻件设计是叶片模锻件生产的关键环节，其模锻件结构设计合理与否直接影响着汽轮机叶片成型质量和最终使用寿命。

汽轮机叶片轮廓面是复杂的异形曲面，在使用中承受复杂的力学环境，而且在高频次的旋转，这就要求叶片生产过程中锻件毛坯的流线要与最终零件的轮廓曲线一致，防止叶片金属流线被严重切断造成应力腐蚀或强度损失，同时要防止应力集中造成叶片过早失效。

在叶片模锻件设计过程中如果模锻件外形轮廓曲线与最终零件曲线偏差很大，在后续加工过程中就会造成金属流线被切断，而且这样加工的叶片结构强度就会相对降低，在叶片使用过程中沿流线切断部分容易形成应力腐蚀或疲劳屈服，降低叶片的使用寿命。此外，如果叶片模锻件设计过程中特征结构过渡圆角设计过小、过渡不圆滑等，会造成叶片模锻件在成型过程中产生夹层、流线紊乱、应力集中等质量问题。其夹层质量问题会造成机加过程困难或导致零件报废，流线紊乱和应力集中会造成叶片强度降低和疲劳寿命降低。

叶片模具设计应考虑模具的尺寸符合热锻件图，以及模具强度满足设计要求。终锻模膛是锻件最后成形的模膛，通过它获得带飞边的锻件。终锻模膛是按热锻件图制造的，模膛设计的主要内容是绘制热锻图和确定飞边槽尺寸。考虑金属的热胀冷缩，热锻件图的尺寸应比锻件图的相应尺寸有所放大。锤上模锻为开式模锻，一般终锻模膛周围必须有飞边槽，其主要作用是增加金属流出模膛的阻力，迫使金属充满模膛。飞边还可以容纳多余金属，锻造时飞边起到缓冲作用，减弱上模对下模的打击，使模具不易压塌和开裂。模具的结构设计对锻件质量、生产效率、模具强度、锻模和锻锤的使用寿命有很大的影响。模具的结构设计应着重考虑模膛的布排、错移力的平衡及锻模的强度、锻模材料、模块尺寸、模膛表面粗糙度、导向等等。

综上所述，在汽轮机叶片模锻件设计过程中，为了提高叶片的成型质量和使用寿命，一定要严格控制叶片模锻件轮廓结构和过渡圆角。具体设计要点和控制措施有如下三点：一是模锻件轮廓面要与叶片最终零件轮廓面流向一致，且加工余量分配均匀，保证金属流线不被大量切断，防止后续使用过程中产生应力腐蚀和屈服；二是叶片模锻件特征结构过渡圆滑、流畅，避免出现特征结构突变，防止后续生产过程中出现夹层、流线紊乱、应力集中等质量问题[2]；三是采用仿真模拟成型软件对模锻件结构、模锻成型过程进行分析和优化，进一步优化模锻件结构，防止产生夹层、流线紊乱、难以充满等质量问题和缺陷。模具的设计不仅考虑最后成型的叶片尺寸符合热锻图，还要考虑模具的强度设计。

3 原材料质量对后续产品质量的影响及控制措施

原材料质量是决定叶片模锻件质量的关键环节。叶片模锻件原材料一般使用轧制棒材，并保证原材料有足够的挤压比，保证其粗大组织得到充分的破碎、变形细化。其原材料质量一般考核冶炼方法、化学成分、低倍组织、发纹及超声波探伤等级等几个方面。

3.1 严格控制原材料冶炼方法

冶炼方法严重影响着原材料的质量。普通的冶炼方法不能满足原材料高的纯净度要求，有害杂质比较多，且铸锭疏松，气孔、偏析存在倾向比较大，严重影响叶片模锻件的强度、内部质量。

为提高叶片模锻件的质量，应对原材料冶炼方法提出要求。原材料应采用电炉冶炼并经电渣重熔，进一步消除原材料内部存在的杂质，提高原材料的纯净度。同时，降低原材料冶炼过程中存在疏松、气孔、偏析、夹杂的倾向，进而提高和保证叶片模锻件的最终质量。

3.2 严格控制原材料的化学成份

原材料成分符合要求是叶片模锻件生产的基础和质量保证的重要环节。原材料成分不合格严重影响着后续锻造成型、热处理的质量，并对叶片最终强度、寿命产生极大的影响，所以应严格控制原材料的化学成份，保证原材料化学成分符合要求[3]。按GB/T 8732—2014 《汽轮机叶片用钢》要求，2Cr13原材料化学成分符合表1的规定。

表1 2Cr13化学元素含量表 %

在实际生产过程中，要控制主元素化学成分处于要求的中间数值，尽量防止处于主元素含量的上限或下限；同时尽量降低硫、磷、砷、锡、锑及氮、氢、氧等有害杂质元素的含量，提高原材料的纯净度。

3.3 严格控制原材料的低倍组织和断口组织

低倍组织是反映原材料宏观组织的质量状况，同时严重影响和决定着叶片模锻件的内部质量。

在实际原材料验收过程中，严格按照相应标准要求进行低倍组织检测，不允许原材料低倍组织和断口组织存在白点、缩孔、气泡、空洞、翻皮、分层、裂纹及肉眼可见的夹杂、点状偏析、银亮斑点、针孔、层状断口、过热断口等缺陷。

3.4 严格控制原材料的发纹

发纹是原材料的一种宏观缺陷，指钢的原材料塔形车削试样经酸蚀法或磁粉法显示出的呈纵向分布的细小纹缕。它是钢中夹杂的气泡或疏松等缺陷在钢的加工变形过程中沿锻轧方向被延伸所致。发纹严重地危害着钢的力学性能，特别是疲劳强度等。用于制造重要机件的钢材，对发纹的数量、大小和分布状态都有严格的限制。

对于发纹的检测，可以根据GB/T 10121—2008《钢材塔形发纹磁粉检验方法》来判定。在实际生产过程应根据叶片的使用要求，严格控制检测试样发纹的数量，进而提高叶片模锻件和叶片最终零件的质量。

3.5 严格控制原材料的超声波探伤等级

超声波探伤是对原材料内部疏松、裂纹、夹杂等组织缺陷的一种检测手段，要求较高的原材料须考虑相应的超声波探伤等级，防止因内部组织缺陷超标影响叶片零件的强度和使用寿命。所以在实际生产过程，应按照设计文件要求对原材料进行超声波探伤，防止因原材料内部质量不合格降低叶片模锻件质量。

4 锻造成型环节工艺过程对产品质量的影响及控制措施

锻造成型过程包含锻前加热、预锻制坯、坯料加热、模锻成型、模锻件切边五个环节。锻前加热、预锻制坯、模锻成型、模锻件切边四个环节，是叶片模锻件生产的关键环节，其工艺参数、工艺过程的控制质量直接影响着叶片模锻件的成型质量和内部质量，并最终决定着叶片的使用寿命。

4.1 锻前加热工艺参数对产品质量的影响及控制措施

2Cr13属马氏体不锈钢，其合金元素含量超过10%，加热温度不宜太高，过高组织会出现δ铁素体，使钢的塑性下降，且易在两相界面产生裂纹。因此马氏体不锈钢的始锻温度一般为1 100～1 150 ℃，所以锻造加热温度应选择在1 150～1 170 ℃之间。

马氏体不锈钢的导热性差，为防止在实际生产中坯料开裂，坯料的入炉温度应低于400 ℃，同时，850 ℃前应缓慢加热，并在1 150～1 170 ℃进行保温，其保温时间应根据材料规格大小而定，一般预热保温时间可按0.6～0.8 min/mm计算，到原材内外部均热后，才能快速加热到始锻加热温度。

锻件在高温区停留时间不宜过长，否则易造成严重过氧化、元素贫化和晶粒粗化，其加热保温时间可按0.3～0.8 min/mm计算，防止长时间在高温区加热导致毛坯氧化、晶粒粗化[4]等质量问题。

为保证叶片毛坯锻前加热的质量，应对以下几个方面进行严格控制：(1)严格选择锻前加热温度；(2)选择控温精度较高的加热设备，严格控制锻前加热温度；(3)严格按照规范要求进行预热和保温；(4)严格控制高温加热区保温时间。

4.2 预锻制坯工艺参数对产品质量的影响及控制措施

预锻制坯是模锻成型质量的关键环节，预锻成型过程和尺寸不仅影响模锻成型质量，而且还影响模锻件的内部质量，所以要对预锻成型工艺方法、预锻成型终锻温度、预锻成型结构和尺寸等工艺参数进行严格控制。

马氏体不锈钢高温组织为单相奥氏体，在900～950 ℃范围内要避免重击，以防锻造开裂；终锻变形量应大于12%～20%，防止落入临界变形区造成晶粒粗大；终锻变形程度不易过小，若加热温度高、终锻变形程度小时，可能由于组织遗传引起低倍粗晶。

2Cr13属马氏体不锈钢，传热速度慢，且变形抗力大，终锻温度不宜太低。若温度过低，钢的塑性下降较大，易产生锻造裂纹，其终锻成型温度不应低于850 ℃。

预锻毛坯的结构和尺寸直接决定着叶片模锻成型的质量，预锻毛坯尺寸不合理会造成模锻成型充不满、折叠、夹层等多种表面缺点。如果预锻毛坯一致性差，还会造成模锻件一致性差，给后续机械加工带来很大的困难。为保证预锻毛坯的合理正确性，应通过仿真模拟成型的工艺方法对预锻毛坯进行仿真模拟验证和优化，保证预锻毛坯结构和尺寸合理。为保证预锻毛坯的一致性和成型质量，应尽量通过胎模锻成型的工艺方法保证预锻毛坯成型的一致性，进而提高叶片模锻成型的质量和一致性[5]。

为保证叶片预锻成型的质量，应对以下几个方面进行严格控制：(1)严格控制锻造变形程度和终锻成型变形量；(2)严格控制终锻成型时的温度；(3)严格控制预锻毛坯成型结构和尺寸。

4.3 模锻成型工艺参数对产品质量的影响及控制措施

模锻成型过程是叶片模锻件生产的关键环节，模锻成型工艺参数不仅影响模锻成型质量，而且影响模锻件的内部质量，并对叶片最终质量产生极大的影响，所以要对模锻成型的模具预热温度、模具冷却、模锻后冷却等工艺参数进行严格控制。

如果终锻成型模具预热温度过低，造成模锻成型过程中毛坯表层迅速冷却，其成型毛坯塑性、流动性大幅度降低，造成终锻成型时出现充不满、夹层、裂纹等质量问题，进而导致锻件报废，同时还会造成锻件内部冷热不均产生很大的应力集中，在后续加工过程中导致开裂。所以终锻成型前需要对成型模具进行预热，其预热温度在200～250 ℃之间，防止成型毛坯因冷却过快产生质量问题。

在模锻成型过程中，由于模具型腔频繁、长时间与高温成型毛坯接触，其型腔表面温度急剧升高，造成模具型腔表面强度和耐磨性下降，容易造成模具型腔磨损、变形，进而影响模锻成型尺寸和表面质量，所以须要对成型过程中模具温度进行控制[6]。合理的方法是定时或定量对模具型腔喷冷却液控制模具温度，防止模具型腔因温度过高产生磨损或变形。

2Cr13不锈钢对冷却速度特别敏感，空冷即可获得马氏体组织，使锻件内存在很大热应力、组织应力和锻造应力，易导致表面裂纹，所以马氏体钢锻后应缓冷。一般是将锻件放在200 ℃左右的炉中或石棉保温箱中冷却，或是转入600 ℃炉中保温并随炉冷却。冷却后应及时进行软化退火处理(680～780 ℃保温2～4 h)，以消除内应力，降低硬度，便于机械加工。

4.4 模锻件切边工艺因素对产品质量的影响及控制措施

模锻件切边是模锻成型质量的重要环节，其切边工艺因素有切边模具和切边温度。为保证切边质量，应对切边模具和切边温度进行控制。

切边模具设计不合理，切边成型会产生毛刺、拉裂、飞边等问题，严重影响切边质量和切边效率。为保证切边成型质量，应设计合理的切边模具，保证切边模具定位准确、凸凹模配合间隙合理和一致。

切边温度过低会造成切边困难、切边开裂等现象，轻则造成切边效率下降，重则造成模锻件报废，所以应严格控制切边温度。切边温度应控制在(650±50)℃左右，当温度低于设定的切边温度时，应重新加热至切边温度后再进行切边处理。

5 热处理过程对后续产品质量的影响及控制措施

热处理过程是叶片模锻件最终力学性能实现的关键环节，其工艺参数、工艺过程的控制质量，直接影响着叶片模锻件最终性能指标，并最终决定着叶片的使用寿命。

2Cr13叶片模锻件热处理工艺要素包含加热设备和工艺参数。加热设备包含淬火和回火加热设备。工艺参数包括淬火温度、淬火保温时间、淬火介质、介质温度、回火温度、回火保温时间等工艺参数。其中淬火温度、淬火保温时间、淬火介质、介质温度是淬火工艺参数；回火温度、回火保温时间是回火工艺参数。

5.1 加热设备对产品质量的影响及控制措施

加热设备的精度对产品质量有着很大的影响。淬火温度严重影响着淬火的质量，如果加热设备控温精度不稳，就会造成淬火温度过高或过低。

为有效控制锻前加热的温度，应选择控温精度较高的加热设备，加热设备控温精度应在±15 ℃。优先选用控温精度较高的电炉加热，防止加热设备控温不准导致实际加热温度过高或过低，保证2Cr13叶片热处理加热温度受控，进而保证叶片热处理质量。

5.2 淬火工艺参数对产品质量的影响及控制措施

淬火温度选择不合理严重影响淬火质量。温度选择过低，达不到淬火效果；温度选择过高，会造成晶粒粗大，或者产生过热倾向。为了保证淬火效果，应合理选择淬火温度范围，2Cr13马氏体不锈钢合理的淬火温度范围是 980 ～1 060 ℃。取980 ℃加热油淬时硬度要明显低于1 060 ℃加热油淬，980 ℃油淬后硬度为45～50 HRC，1 060 ℃油淬后硬度要高2 HRC，但1 060 ℃淬火后得到的组织晶粒较粗，脆性大。为得到较好的组织和硬度，提高淬火效果，一般把淬火温度控制在1 000～1 030 ℃的温度区间。

淬火保温时间如果选择不合理严重影响淬火质量。时间过短，工件未热透，强化相未充分溶解，达不到淬火效果；保温时间过长会造成晶粒粗大，或者产生过热倾向。为了保证淬火效果，应合理选择淬火保温时间，防止保温时间过长或过短。保温时间的计算方法为：

t=(10～30)+(2～3)×d

(1)

式中：t为淬火保温时间， min；d为制件的有效厚度或条件厚度， mm。根据上述的计算范围，尽量取中间数值[7]。

如果淬火介质选择不合理，会造成极大的组织应力，甚至会引起淬火开裂。2Cr13属马氏体不锈钢，具有良好的淬透性，尺寸不大的2Cr13钢工件从淬火温度空冷即可淬透，获得马氏体组织。所以为达到较好的淬火效果，同时又防止淬火开裂，实际生产中一般选取淬火油作为淬火介质。

5.3 回火工艺参数对产品质量的影响及控制措施

回火温度如果选择不合理，严重影响产品的性能和硬度。温度过低，硬度下不来且强度偏高，不仅加工困难，而且塑性指标偏低；温度过高，会造成晶粒粗大，硬度下降明显且强度降低，也达不到要求。为了保证回火效果，应合理选择回火温度范围。2Cr13马氏体不锈钢合理的回火温度范围是 450～600 ℃之间。450～500 ℃回火，硬度为45～50 HRC；500～550 ℃回火，硬度为40～44 HRC；550～600 ℃回火，硬度为28～32 HRC。应根据叶片性能指标和硬度要求，合理选择回火温度范围。

回火保温时间如果选择不合理，严重影响回火质量。时间过短，达不到回火效果；保温时间过长，会造成晶粒粗大，硬度降低。为了保证回火效果，应合理选择回火保温时间。其保温时间的计算方法为：

T=(60～80)+(1～3)×d

(2)

式中：T为回火保温时间， min；d为制件的有效厚度或条件厚度,mm。根据上述的计算范围，尽量取中间数值，防止保温时间过短或过长。

6 模锻件的验收对后续产品质量的影响及控制措施

叶片模锻件验收属于交付把关环节，验收不严有可能造成漏检或误检，有可能把不合格的当作合格的，给后续产品使用带来很大的隐患，甚至造成叶片提前报废。所以应按照要求严格进行产品验收工作，遇见问题绝不放过，严把交付质量关。

6.1 模锻叶片毛坯一般交付验收

每种产品根据使用环境的不同，其技术要求不尽相同，但验收内容一定要与产品图纸技术要求相对应。产品一般交付验收环节内容主要有：熔炼方式、化学成分、低倍组织、非金属夹杂物、机械性。

化学成分：原材料进厂时，应根据质量保证书按炉号逐炉复验化学成分，分析结果应符合表1规定，具体分析方法应符合图纸或国家、行业规定的检测方法。

低倍组织：(1)按炉号抽检低倍组织，在横向酸浸试片上不得有肉眼可见的气泡、裂纹、夹杂物、轴心晶间裂纹、翻皮及缩孔残余，一般疏松、中心疏松和方框形偏析均不得超过2级，如发现白点，则该批材料报废；(2)酸浸低倍组织检查按GB/T 226—2015进行，评级按GB/T 1979—2001进行。

非金属夹杂物：(1)按炉号抽检非金属夹杂物，A、B、C、D类均不大于3级；(2)非金属夹杂物的评定按GB/T 10561—2016进行。

机械性能：(1)按炉号抽检机械性能，拉伸、冲击和布氏硬度值均应符合GB/T 1220—2016或GB/T 1221—2016的规定：(2)机械性能试验方法分别按GB/T 228—2010、GB/T 229—2020、GB/T 231—2018进行。

6.2 首件首批的锻模验证

锻造生产开工前，操作人员应按工艺文件进行锻前准备，确认正常后方可投入生产，包含：熟悉工艺文件、检查设备运转状态；根据锻件材料、形状、尺寸及工艺要求，选择相应的锻造设备；选择合适的加热设备，制定合理的加热规范，严格控制加热温度、加热速度和保温时间；安装调整好锻模或有关工具；锻模及各种锻造工具在开锻前必须进行预热，以保证锻件质量和工锻模的寿命；根据锻件材料、精度和工艺要求选用合适的防护润滑剂；毛坯在模锻前和模锻过程中必须清除油污；所有模锻件必须经试模、划线检查，当确定符合锻件图要求时，方能进行试制或正式投入生产。

按照工艺规范控制开锻和终锻温度。同一料盘的首、尾件必须检测其始锻温度、终锻温度和锻模温度是否符合相关工艺操作规程规定，应严格执行在终锻温度下停锻，不可过高和过低。

对大批生产的模锻件须按工艺要求进行首件检验，当确认符合锻件图要求时，方可进行生产。首件检验包括：每批的首件，检查其合金牌号、批号、规格是否与随行卡片一致；操作人员和检查人员共同检查对照模锻中间工序(预锻制坯、坯料加热、终锻成型、模锻件切边)是否正确；对有锻造方向要求的锻件，严格按工艺执行，避免锻错方向；对纤维方向有要求的锻件，应记清纤维方向并在锻后标注在锻件上；使用经需方认可的专用量具和样板对锻件的形状和尺寸进行检查；上下模必须检查错移。生产中要做到首、尾件必检，中间按批抽检。检验锻件的成型情况、表面质量应符合锻件图及工艺要求。

6.3 模锻叶片毛坯采购技术规范

本单位采购模锻叶片，都有相应的采购技术规范。规范中明确了技术要求、原材料要求、质量控制要求、质量检验要求、质量责任、交付验收要求及最终数量确认等。

技术要求：一方面规定了模锻叶片毛坯技术条件，另一方面规定了供方针对需方提供的产品图纸设计的毛坯供货图、工装图、检验样板图等资料须提供需方审核。

原材料要求：规定了采购的原材料须符合GB/T 8732—2014的要求。

质量控制要求：规定了供方应具备从事产品加工所必需的一切生产设备、清洁安全的存储设施、运行状况良好的检测设备等。供方应制定并经需方审核的质量控制计划，建立并实施工装模具上、下场验证规章制度，建立相应的质量档案等。

质量检验要求：规定供方模锻件须通过首件认证(FPQ)后，方可批量生产。首件认证其实是贯彻用户需求及执行标准的过程，认证件的要求应高于后续的批量件。首件认证资料应包括模锻叶片毛坯制造工艺方案、原材料质保书、原材料化学成分及机械性能等复试报告、材料标识移植规定、质量控制计划、无损探伤人员资格证书、无损(磁粉)探伤报告、主要尺寸及型线检查记录、模锻叶片毛坯热处理记录、机械性能及化学成分等试验报告。

质量责任：规定在需方加工、装配、运行过程中，若发现质量不符合规定，或产品被证实存在任何缺陷包括潜在缺陷，需方应要求供方采取有效措施进行质量整改，更换产品或采取其他措施解决产品的质量问题。

交付验收：规定供方向需方交付模锻叶片时，应同时提交与产品有关的质量文件和资料，其内容主要包括质量证明书、原材料质保书、原材料复验报告、热处理记录和各项检验记录等。

模锻毛坯数量的认定应以精加工后抛光合格、磁粉探伤合格数量为准。

7 结语

通过对汽轮机叶片模锻件设计、原材料检测、锻造成型过程、热处理及验收过程和质量进行控制，保证汽轮机叶片模锻件实物工艺技术状态稳定、组织和性能一致性高，防止叶片模锻件出现材料成分一致性差、表面质量缺陷多、晶粒不均匀、性能不符合技术要求等质量问题，有效提高叶片模锻件生产的过程质量和实物质量，为汽轮机叶片后续机械加工创造有利的条件，同时为提高燃气-蒸汽联合循环汽轮机的整体质量和运行可靠性奠定坚实的基础。