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百万千瓦超超临界汽轮机的工作蒸汽温度达到600℃、蒸汽压力达到30MPa,这种工作环境对材料性能的要求极高,已处于现有各种汽轮机转子材料性能的极限。除了材料成分外,零件的内在性能和质量主要在热加工过程中形成,而热处理则是热加工过程的最后一道工序,对发掘材料强度潜力、改善零件的使用性能、提高产品质量、延长使用寿命具有极其重要的意义。
由于超超临界汽轮机转子在高温高压的蒸气环境中工作,因此要求转子通过热处理获得需要的合理的奥氏体晶粒尺寸。本文通过试验测定了X12CrMoWVNbN1011钢的奥氏体晶粒长大动力学曲线,并准确划分了晶粒的正常长大与异常长大区域,为超超临界转子热处理工艺的制定提供重要依据。
钢的相变动力学曲线是制订热处理工艺的重要依据,也是热处理工艺国产计算机模拟必要的输入参数。本文利用膨胀法在Gleeble-3500热模拟试验机上测试了X12CrMoWVNbN1011铁素体耐热钢的连续加热相变曲线(CHT)和奥氏体连续冷却相变曲线(CCT):利用CHT与IHT之间存在的定量关系:τ(X,T)=(()T(x)/()V)x,通过转换CHT曲线获得了IHT曲线；采用定量金相法测定了符合生产实际的过冷奥氏体等温转变动力学曲线(TTT),其中奥氏体化条件为:升温速度30℃/h,奥氏体化温度1070℃,保温时间12小时。
临界冷却速度是超超临界转子淬火冷却工艺制定的重要参数。试验证明转子中化学成分偏析和奥氏体化条件都会显著影响X12CrMoV/VNbN1011钢的临界冷却速度。在化学成分相同,上述与生产实际吻合的奥氏体化条件下(加热速度均为30℃/h,奥氏体化温度均为1070℃,奥氏体化温度保温时间为12小时),对应的临界冷却速度小于36℃/h,而将奥氏体化保温时间缩短为30分钟,其它条件不变,则临界冷速大于72℃/h；奥氏体化条件不变,由于大型转子偏析导致的碳、铌含量高的试样的临界冷却速度则大于50℃/h。
马氏体转变是X12CrMoWVNbN1011钢淬火过程中主要的相变过程,马氏体转变开始点Ms和马氏体转变动力学直接影响淬火过程计算机模拟预测的相变量的准确性,进一步影响转子的应力场模拟结果。本文采用膨胀法研究了奥氏体化条件对Ms和马氏体转变过程的影响,并拟合得到修正的K-M方程fm=1-exp(-k(460-T)2),k=10-5×(6.76331+0.4018tA),其中tA是1070℃奥氏体化时的保温时间。
材料参数的缺乏是热处理计算机模拟中主要的问题之一。本文利用JMatPro软件计算了X12CrMoWVNbN1011钢的热物性参数,包括比热容、导热系数和密度。利用G1eeble-3500热模拟试验机进行膨胀试验和高温拉伸试样确定了X12CrMoWVNbN1011钢不同组织的力学性能参数,包括热膨胀系数、弹性模量、塑性模量和屈服强度。
本文建立了淬火过程的温度场-组织场-应力场三场耦合的数值模拟模型,并采用Fortran语言开发了基于有限元软件MSC.Marc的温度、相变和应力计算的子程序。通过分析淬火过程的温度、组织和应力分布,确定了φ1440mm超超临界高中压转子淬火工艺。合适的淬火加热工艺为:奥氏体化温度1080℃,保温时间大于28小时；综合考虑了应力、组织以及转子出油时表面温度这三方面要求,给出的淬火冷却工艺为3小时空气预冷,随后3小时油冷。通过物理模拟对经该工艺处理的试样进行组织和性能的评定。
本文通过试验与数值模拟制定了切断组织遗传,达到超声探伤要求的φ1440mm超超临界高中压转子的锻后热处理工艺。遵循“国内外资料收集与消化-材料参数测试-热处理过程数值模拟-小试样物理模拟试验-生产性试验-小直径高压转子试制-大直径高中压转子试制-确定成熟的热处理工艺”的技术路线,制定了φ1440mm超超临界高中压转子的性能热处理工艺。结合对该钢中夹杂物的和各种热处理组织的详细观察分析,总结了X12CrMoWVNbN1011钢超超临界转子在试制过程中存在并需要引起注意的一系列问题,并提出了进一步深入研究的建议。