王 敏 馮 莉 張曉旭

(沈陽鑄鍛工業(yè)有限公司鍛造分公司，遼寧110142)

葉輪是汽輪發(fā)電機關(guān)鍵部件之一，在高溫、高壓、高速的環(huán)境下工作，承受巨大的復(fù)雜的機械應(yīng)力及熱應(yīng)力。因此其內(nèi)部質(zhì)量要求高，尤其超聲波探傷標準要求極其嚴格，力學(xué)性能指標要求高。葉輪傳統(tǒng)成形工藝方案為實心坯料在漏盤內(nèi)鐓粗成形，屬于餅類件鐓粗成形，如果在操作過程中控制不當(dāng)，很容易造成厚輪轂葉輪鍛件(H大于450 mm)的輪轂部位(圖1 B區(qū))內(nèi)部產(chǎn)生密集缺陷而報廢。另外即使內(nèi)部質(zhì)量滿足標準要求，由于葉輪試料區(qū)處于鐓粗成形的難變形區(qū)，容易造成晶粒粗大，尤其葉輪材料為30Cr2Ni4MoV時，存在組織遺傳，增加最終調(diào)質(zhì)處理難度。我們通過對影響葉輪質(zhì)量的因素進行分析，吸取傳統(tǒng)工藝方案造成葉輪質(zhì)量問題的經(jīng)驗教訓(xùn)，對傳統(tǒng)工藝方案進行改進，采用空心坯料鐓粗成形，從而保證了厚輪轂葉輪質(zhì)量。

圖1 葉輪示意圖Figure 1 The diagrammatic sketch of impeller

1 技術(shù)要求

葉輪鍛件如圖2所示，材料為30Cr2Ni4MoV。

鍛件重4 600 kg，采用7.5 t鋼錠鍛造。驗收標準為JB/T1266—2002。

2 工藝方案

2.1 傳統(tǒng)工藝方案為：

一火：壓鉗口、倒棱、錯水口；

二火：鐓粗?1 300 mm；

三火：拔長下料?700 mm×1 650 mm；

四火：在漏盤內(nèi)鐓粗至滿高640 mm，然后用上砧開邊鍛出上凸臺，沖孔滾圓平整出成品。

圖2 葉輪鍛件圖Figure 2 The drawing of impeller forging

圖3 傳統(tǒng)工藝葉輪最終鐓粗變形Figure 3 The finally upsetting of impeller with traditional technology

圖4 輪轂部位缺陷分布Figure 4 The failure distribution of wheel hub position

該工藝方案造成葉輪有二個質(zhì)量方面的問題：首先在最終成形過程中，當(dāng)用鐓粗板將坯料鐓至640 mm高時，坯料的最大徑高比約為2(見圖3)。根據(jù)剛塑性力學(xué)模形的拉應(yīng)力理論，在此過程存在上下剛性區(qū)相交，在坯料內(nèi)部產(chǎn)生附加橫向拉應(yīng)力。由于此部位坯料為鋼錠中心部位，冶金缺陷相對嚴重，加劇了附加橫向拉應(yīng)力對坯料內(nèi)部的破壞作用，容易使葉輪輪轂部位產(chǎn)生密集缺陷，缺陷分布位置大部分如圖4所示。其次，由于葉輪輪轂下端面在漏盤內(nèi)鐓粗，雖然能夠進行中心壓實，但由于該部位為剛性難變形區(qū)，不可避免的使該部位的鍛后金相組織比上端面差，這是造成葉輪上下輪轂端面力學(xué)性能差異的一個主要因素。下端性能試驗結(jié)果對于大葉輪來講，一次性合格率不高。

2.2 改進后的工藝方案如下，全部變形過程見圖5。

一火：下料?700 mm×1 650 mm；

二火：鐓粗400 mm，沖?350 mm；

三火：芯軸拔長將內(nèi)孔收縮至?150 mm，制坯成空心坯料；

四火：在漏盤內(nèi)鐓粗至滿高640 mm，然后用上砧開邊鍛出上凸臺，沖孔滾圓出成品。

圖5 新工藝變形圖Figure 5 The diagrammatic drawing of deformation process with the new technology

由于采用空心坯料鐓粗出成品，在鐓粗變形過程中(見圖6)，消除了附加橫向拉應(yīng)力對坯料內(nèi)部的破壞作用，使輪轂部位金屬在靜水壓力的應(yīng)力狀態(tài)成形，達到了中心壓實的目的。同時由于空心坯料處于漏盤部位進行收縮變形，消除了傳統(tǒng)工藝方案中容易造成輪轂部位鍛后晶粒粗大的風(fēng)險，上下端面變形均勻性得到了保障。

采用該工藝方案鍛造的葉輪經(jīng)雙重過冷擴氫退火鍛后熱處理，粗加工超聲波探傷，未發(fā)現(xiàn)超標缺陷。我公司用該工藝方法先后為哈汽、南汽等汽輪機廠鍛造輪轂厚度為450 mm～570 mm，毛坯重為4 300 kg～6 000 kg的大型葉輪鍛件共計63件，探傷檢測及力學(xué)性能檢測全部符合技術(shù)標準要求。

圖6 空心坯料最終鐓粗變形Figure 6 The final upsetting deformation with hollow blank

值得強調(diào)的是，使用該工藝方法對操作工人的鍛造技術(shù)水平提出較高要求，收孔制坯時，要精心操作，不要將空心坯料內(nèi)孔收出折傷。

3 結(jié)論

3.1 采用剛塑性力學(xué)模型的拉應(yīng)力理論對鍛造成形過程分析具有較好的指導(dǎo)意義。

3.2 采用空心坯料鐓粗成形工藝可以保證大型葉輪類鍛件的內(nèi)部質(zhì)量，很好滿足超聲波探傷標準要求及力學(xué)性能的要求。

3.3 該工藝方案適用于質(zhì)量要求較高的厚壁筒類和餅類(帶孔)鍛件的生產(chǎn)。

[1] 劉助柏.塑性成形新技術(shù)及其力學(xué)原理.北京：機械工業(yè)出版社.

[2] 張志文.鍛造工業(yè)學(xué). 北京：機械工業(yè)出版社.

[3] 盧志輝，賴曾美，嚴振宇.大鍛件坯料鐓粗時的剛塑性模擬研究.大型鑄鍛件，1990(4).

[4] 楊兵，張建國.用變向鍛造方法鍛造管箱鍛件.大型鑄鍛件，2003(1).