徐永鋒，高振桓，楊明，劉禹炯，范華，楊功顯

（東方汽輪機(jī)有限公司 長壽命高溫材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 德陽， 618000）

鍛造對汽輪機(jī)葉片鋼力學(xué)性能的影響

徐永鋒，高振桓，楊明，劉禹炯，范華，楊功顯

（東方汽輪機(jī)有限公司 長壽命高溫材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 德陽， 618000）

通過對汽輪機(jī)葉片鋼1Cr12Ni3Mo2VNbN的原鋼錠及其經(jīng)鍛造后的葉片進(jìn)行性能熱處理，以制取兩種狀態(tài)的試樣，系統(tǒng)研究了鍛造歷史對示波沖擊、低周疲勞、疲勞裂紋擴(kuò)展速率、斷裂韌性的影響。結(jié)果表明，材料經(jīng)鍛造后，總的沖擊功不變，但裂紋形成功隨之增大，構(gòu)件的安全性增加，疲勞性能得到改善，ΔKIC值降低0.8%，疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯緩慢，J積分值大幅度增大，J積分較KIC有更好的適用性。

葉片，鍛造，示波沖擊，疲勞，斷裂韌性，J積分

Abstract：The performance of the turbine blades of the original steel ingot 1Cr12Ni3Mo2VNbN and its forged was treated by heat treatment to prepare the sample under two states,The influence of forging history on instrumented impact,low-cycle fatigue,fatigue crack growth rate and fracture toughness were investigated systematically.The results showed that the total impact energy remained constant,and the crack imitiation energy increased,the safety of the components increased,fatigue performance was improved,the value of ΔKICdecreased by 0.8%,the fatigue crack growth rate was significantly slower,J integral value substantially increased,J was more applicability than KIC.

Key words：blade,forging,instrumented impact,fatigue,fracture toughness,J integral

0 引言

隨著能源日趨緊張和環(huán)保要求日益提高，國家調(diào)整電源結(jié)構(gòu)的一大方向是發(fā)展大容量、高參數(shù)、高效率、低資源消耗的火力發(fā)電機(jī)組。采用更高參數(shù)的超超臨界汽輪機(jī)對經(jīng)濟(jì)性的改善程度與機(jī)組容量的大小密切相關(guān)。為提高發(fā)電效率，機(jī)組容量增大。這樣，汽輪機(jī)末級葉片也越來越大，而葉片承受復(fù)雜的應(yīng)力，這對末級葉片的性能要求也越來越高，葉片材料合金化程度也越來越高[1-2]。1Cr12Ni3Mo2VNbN就是為適應(yīng)這種要求而出現(xiàn)的一種新型汽輪機(jī)末級葉片材料，用于制造火電或核電汽輪機(jī)末級大葉片[3-4]。

鍛造對材料，尤其是對大型鍛件的作用見文獻(xiàn)[5-6]，汽輪機(jī)葉片常常以疲勞方式失效[7-9]。本文研究的葉片材料的鍛造性能已做了研究[3-4]，但鍛造對該材料的力學(xué)性能尚未研究，一般研究方式是，制備鋼錠，然后直接進(jìn)行性能熱處理，最后取樣以評價力學(xué)性能，這顯然不符合葉片的實(shí)際應(yīng)用狀況，實(shí)際情況是原鋼錠要經(jīng)鍛造成型，再制造成葉片。用未經(jīng)鍛造的原材料評價葉片本身的性能，是否科學(xué)合理，鍛造歷史對葉片材料的力學(xué)性能會產(chǎn)生怎樣的影響，這些問題還一直未見報(bào)道。

為了掌握鍛造對葉片材料力學(xué)性能的影響，本文通過同時對鍛造后的成型葉片和原鋼錠進(jìn)行性能熱處理，對鋼錠試樣和葉片試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，以全面評價鍛造對材料的示波沖擊、低周疲勞、斷裂韌性、裂紋擴(kuò)展速率等力學(xué)性能的影響，為企業(yè)高效利用該材料提供技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試樣

實(shí)驗(yàn)用1Cr12Ni3Mo2VNbN 為商用葉片材料，化學(xué)成分（wt， %）為 0.12C， 12Cr， 2.7Ni， 2.4Mo，0.4V，0.1Nb，0.05N，0.06Cu，F(xiàn)e余量。原材料由鋼廠冶煉后熱加工為φ250 mm的鋼棒，經(jīng)一定鍛造工藝，制造成汽輪機(jī)末級長葉片毛坯，長葉片與同批次鋼錠同時經(jīng)過性能熱處理，其熱處理工藝為，1 050℃淬火，油冷，570℃回火，保溫8 h空冷。其顯微組織為均勻的馬氏體組織，平均晶粒尺寸無明顯差別。所有試樣分別取自鋼錠和葉片。這樣，葉片試樣比鋼錠試樣多經(jīng)歷了一次鍛造工序，以此來研究鍛造歷史對材料力學(xué)性能的影響。兩種試樣的室溫拉伸性能見表1。

表1 室溫拉伸性能

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

示波沖擊試驗(yàn)依據(jù)GB 229進(jìn)行，在示波沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三點(diǎn)彎曲沖擊試驗(yàn)，擺錘刀口沖擊試樣的速度為5 m/s，采集載荷-位移曲線，用割線法確定動態(tài)屈服載荷Fyd，最大載荷Fmax，通過曲線下的面積，求出彈性變形功We，塑性變形功Wd以及裂紋擴(kuò)展功Wp等參量。

根據(jù)GB/T 15248在Instron 1342電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行低周疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)在室溫下通過控制應(yīng)變，采取三角波型，應(yīng)變比R=-1，實(shí)驗(yàn)室大氣環(huán)境，頻率f=1 Hz。疲勞試樣長70 mm，標(biāo)距10 mm，試樣標(biāo)距部分直徑6 mm。

疲勞裂紋擴(kuò)展速率及門檻值ΔKth根據(jù)GB/T 6398進(jìn)行。應(yīng)力比R=0.1，采用正弦波；實(shí)驗(yàn)室大氣環(huán)境，頻率f=100 Hz。疲勞試樣采用標(biāo)準(zhǔn)CT試樣，厚度B=10 mm，寬度W=50 mm。疲勞裂紋擴(kuò)展速率的試驗(yàn)頻率f=50～80 Hz，載荷比R=0.1，試驗(yàn)溫度為25℃。裂紋長度采用視頻工具顯微鏡法測量，裂紋長度與循環(huán)周次數(shù)據(jù)用多項(xiàng)式擬合以確定疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dn。

斷裂韌度試驗(yàn)按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21143進(jìn)行。斷裂韌度采用三點(diǎn)彎曲試樣，厚度B=15 mm，寬度W=30 mm，長140 mm。預(yù)制疲勞裂紋在Amsler HFP5100高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，預(yù)制裂紋長度 a0在 0.45～0.7 W。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)在 INSTRON1195試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載速率為0.1 mm/min，記錄載荷-施力點(diǎn)位移曲線。試驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲多試樣法測定材料的J積分值。

對于三點(diǎn)彎曲試樣，J按式（1）來計(jì)算。

鈍化線由式（2）確定。

斷裂韌度 Jc（B）、 Ju（B）或 Juc（B）的確定， 按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定直接計(jì)算 J積分值（Jc（B）、Ju（B）或Juc（B）），斷裂韌度J積分值對尺寸敏感，與試樣厚度直接相關(guān)，試樣厚度以mm為單位在斷裂韌度符號的右下標(biāo)括號中注明：當(dāng)△a＜0.2 mm鈍化偏置線出現(xiàn)非穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展時的尺寸敏感斷裂抗力J積分值，記為Jc（B），B為試樣厚度；當(dāng)△a≥0.2 mm鈍化偏置線出現(xiàn)非穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展時的尺寸敏感斷裂抗力J積分值，記為Ju（B）；當(dāng)穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展無法測量時，非穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展時的尺寸敏感斷裂抗力J積分值，記為Juc（B）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 沖擊斷裂行為

為研究鍛造對沖擊斷裂的影響，本文給出1Cr12Ni3Mo2VNbN材料兩種試樣在室溫下Charpy沖擊吸收能量Wt值，如表2所示，示波沖擊 （載荷－位移）曲線見圖1。示波沖擊曲線所代表各個物理量的含義見表2。Fgy為屈服載荷，F(xiàn)m為最大載荷。鋼的韌脆性與材料的裂紋萌生功、擴(kuò)展功以及吸收的總能量有關(guān)，鋼的沖擊斷裂過程包括裂紋的形成和擴(kuò)展階段[10-13]，彈性變形功We；彈塑性變形功Wd；最大力之前所消耗的能量為裂紋形成（裂紋萌生）能量Wi，Wi=We+Wd； 最大力之后所消耗的能量為裂紋擴(kuò)展能量Wp；沖擊吸收能量Wt=Wi+Wp。

圖1 示波沖擊曲線

表2 示波沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可見，材料經(jīng)鍛造后，沖擊屈服載荷和最大載荷都有所增加。對于不同材料或同種材料的不同狀態(tài)，其沖擊功Wt可能相等，但是它們的彈性變形功We、塑性變形功Wd及裂紋擴(kuò)展功Wp所占的比例相差可能很大，從而表現(xiàn)出它們之間的韌脆性不同[10-13]。通過表2數(shù)據(jù)可以看出，兩類試樣總的沖擊功沒有明顯變化，但是，材料經(jīng)鍛造后，彈性變形功提高了108%，使得裂紋形成功Wi大大高于未經(jīng)鍛造的試樣，而裂紋形成功Wi反映了裂紋形成的難易和快慢,從安全可靠角度分析,實(shí)際葉片材料希望裂紋形成功越大越好，使形成裂紋之前消耗能量增加的越多越好，這樣對增加構(gòu)件的安全性非常有利。所以，鍛造歷史可以提高材料的裂紋形成功，大大增加構(gòu)件的安全性。

葉片樣的裂紋擴(kuò)展功Wp較鋼錠樣的低一些，表明葉片樣阻止裂紋擴(kuò)展的能力稍差，裂紋一旦形成，葉片樣中的裂紋擴(kuò)展要快一些。但是，從圖1可見，兩類試樣裂紋擴(kuò)展階段的相應(yīng)沖擊曲線表現(xiàn)出較一致的斜率，并且裂紋非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展功都非常小，表明兩類材料在裂紋擴(kuò)展平穩(wěn)，直至完全斷裂。

2.2 應(yīng)變疲勞壽命

對于總應(yīng)變控制的低周疲勞實(shí)驗(yàn)，材料的應(yīng)變疲勞壽命數(shù)據(jù)常采用Coffin－Manson公式來表征[14]：

式中 Δεt/2、 Δεe/2、 Δεp/2分別表示總應(yīng)變幅、 彈性應(yīng)變幅、塑性應(yīng)變幅，2Nf為發(fā)生失效時的載荷反向次數(shù)，σ'f為疲勞強(qiáng)度系數(shù)，b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)，ε'f為疲勞延性系數(shù)，c為疲勞延性指數(shù)，E為楊氏模量。

Δεe/2－2Nf和 Δεp/2－2Nf關(guān)系曲線見圖 2（a）、（b）， Δεe/2和 Δεp/2由半壽命時的應(yīng)力－應(yīng)變回線計(jì)算獲得。根據(jù)式（3）和（4）用線性回歸分析方法可對材料的應(yīng)變－壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而確定出與低周應(yīng)變疲勞有關(guān)的各個參量的數(shù)值，結(jié)果見表3。由圖2可以確定材料的過渡疲勞壽命NT，其數(shù)值見表 3。圖 2（c）、（d）分別為鋼錠樣和葉片樣材料在室溫時的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖 2 Δε-2Nf關(guān)系曲線（a～b）和循環(huán)應(yīng)力－塑性應(yīng)變曲線（c～d）

表 3 中 σ'f/E 和 b 為按 lg（Δεe/2）-lg（2Nf）曲線計(jì)算出的疲勞強(qiáng)度系數(shù)和疲勞強(qiáng)度指數(shù)。按lg（Δσ/2）-lg（2Nf）曲線計(jì)算，則鋼錠樣室溫疲勞強(qiáng)度系數(shù)σ'f為 1 706．4 MPa， 疲勞強(qiáng)度指數(shù) b 為-0．063 8； 葉片樣材料室溫時疲勞強(qiáng)度系數(shù)σ'f為1 991．4 MPa， 疲勞強(qiáng)度指數(shù) b 為-0．084 2。 不論怎樣，葉片樣的強(qiáng)度系數(shù)高于鋼錠樣的系數(shù)。

表3 材料的應(yīng)變疲勞參數(shù)

這樣，鋼錠樣和葉片樣室溫時的應(yīng)變-壽命方程可表示為：Δεt/2=0．009 41×（2Nf）-0．0782+0．574×（2Nf）-0．742（6）Δεt/2=0．011 1×（2Nf）-0．0977+0．850×（2Nf）-0．810（7）

從鋼錠樣和葉片樣材料室溫下的應(yīng)變-壽命曲線可見，兩者的低周疲勞壽命差別不大。在應(yīng)變幅較低的長壽命范圍（Δεt/2＜0．6%）， 在相同應(yīng)變幅下，強(qiáng)度較高的鋼錠樣的壽命較長。

2.3 疲勞裂紋擴(kuò)展速率

表4為室溫下鋼錠樣和葉片樣兩種試樣疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值ΔKth。

表4 1Cr12Ni3Mo2VNbN材料的疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值

圖3（a）、（b）分別為鋼錠樣和葉片樣試樣在室溫時的疲勞裂紋擴(kuò)展曲線，曲線的回歸方程為：

圖3 疲勞裂紋擴(kuò)展曲線

ΔKIC一般隨強(qiáng)度的升高而降低[14]，由表1所見，葉片經(jīng)鍛造后屈服強(qiáng)度下降了16．5%，表4表明經(jīng)鍛造后，ΔKIC約降低了0．8%。比較方程（8）和 （9）可以得出，經(jīng)鍛造后，葉片樣裂紋擴(kuò)展速率明顯比鋼錠樣的要緩慢得多。

2.4 斷裂韌度

圖4為三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)時典型的力 （F）-施力位移（q）曲線。Up在一定程度上反映了試樣在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展時塑性變形所吸收的能量，所以同種材料在同一試驗(yàn)溫度下，施力位移越大，也即變形越大，Up就越大。表5為鋼錠樣及葉片樣的J積分試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖4 力-位移曲線

圖 5 J-Δa曲線

表5 鋼錠樣及葉片樣的J積分試驗(yàn)結(jié)果

圖5（a～b）分別是鋼錠樣和葉片樣在室溫時的J-Δa曲線。將兩種狀態(tài)材料的阻力曲線進(jìn)行冥乘擬合，根據(jù)擬合曲線，得出J與Δa的關(guān)系表達(dá)式。

表6分別是鋼錠樣和葉片樣在不同試驗(yàn)溫度下擬合曲線的方程及J值（J0.2BL、JUC等）。鋼錠樣在室溫下加載時，多個試樣發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，所以在R曲線上合格的數(shù)據(jù)點(diǎn)只有4個，而葉片樣室溫加載時僅3個試樣有穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展，不能測出JΔa曲線，用發(fā)生失穩(wěn)裂紋擴(kuò)展的4個試樣直接計(jì)算 JUC（B）值。

將J0.2BL值或JUC值按式（10）轉(zhuǎn)換成KI值：

室溫下選用材料的最小JUC值， E和ν按國家標(biāo)準(zhǔn)中的推薦值，表6給出由J值換算的KIC值，

表6 擬合曲線和J值

從表6可見，兩種狀態(tài)的材料均具有較高的斷裂韌度值，材料經(jīng)過鍛造后，斷裂韌性值J增大，J0.2BL和JUC分別增大34%和36.5%，很顯然，如果在葉片設(shè)計(jì)過程中，采用鋼錠樣的J值，就很保守，造成很大的浪費(fèi)。

比較式（10）換算后的KIC，葉片樣的KIC值增大16.5%，KIC表征的是一旦起裂紋，立即達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)，而本文研究表明，裂紋萌生后進(jìn)入穩(wěn)定擴(kuò)展階段，失穩(wěn)擴(kuò)張比例極小。J積分討論的是裂紋即將擴(kuò)展而尚未擴(kuò)展階段，前文沖擊斷裂行為研究表明，葉片材料在裂紋萌生過程，裂紋形成功Wi中彈性變形功比例相當(dāng)大，裂紋在彈塑性階段萌生消耗大量能量。所以，對于本文研究的1Cr12Ni3Mo2VNbN葉片材料，J積分較KIC有更好的適用性。

3 結(jié)論

（1）材料經(jīng)鍛造后，屈服載荷和最大載荷增大，總的沖擊功不變，但彈性變形功增大一倍，裂紋形成功隨之增大，增加了構(gòu)件的安全性；

（2）材料鍛造前后的應(yīng)變-壽命方程分別為Δεt/2=0.009 41×（2Nf）-0.0782+0.574×（2Nf）-0.742和 Δεt/2=0.011 1×（2Nf）-0.0977+0.850×（2Nf）-0.810；

（3）鍛造使材料的屈服強(qiáng)度下降16.5%，ΔKIC值降低0.8%，疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯緩慢，鍛造前后裂紋擴(kuò)展速率方程分別為da/dn=8.815×10-9（ΔK）3.016和 da/dn=8.366×10-9（ΔK）2.980；

（4）鍛造使斷裂韌性值 J0.2BL和 JUC分別增大34%和36.5%，J積分較KIC有更好的適用性。

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Influence of Forging on Mechanical Properties of Turbine Blade Steel

Xu Yongfeng， Gao Zhenhuan， Yang Ming， Liu Yujiong， Fan Hua， Yang Gongxian
（State Key Laboratory of Long-life High Temperature Materials,Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)

TG113

A

1674-9987（2017）03-0042-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.03.010

徐永鋒 (1977－),男,工程師，主要從事長壽命高溫材料的研究工作。