三峡叶片热处理工艺研究

 鉴于哈电已成功研制并批量生产了转轮直径为8.3m的景洪水轮机叶片，哈电公司在征求用户同意下，决定自行研制，保证叶片质量相当于或优于国外进口叶片，减少叶片受制于人的情况发生，为巨型转轮材料全部国产化奠定基础。

1.主要难点

由于三峡项目的严格要求，而且在国内从来没有任何厂家生产过这么大的叶片，三峡电站业主对我们的技术能力提出质疑，因而给我们提供的性能要求要比国外生产的铸件的要求高了很多，提高了其中的两个指标，其对比如表1所示。

表 1

性能要求	σ0.2/MPa	σb/MPa	δ（%）	Ψ（%）	HB	aKv/J
国外采购	≥550	≥750	≥15	≥30	217-286	≥100
国内生产	≥600	≥800	≥20	≥30	217-286	≥100

可以看出，对于国内生产的铸件性能值要高于从国外采购，而且所提高的延伸率和抗拉强度这两个指标是互相冲突的。延伸率是考核金属的韧性指标，而抗拉强度是考核强度指标，一般不这样提高材料的机械性能。为了圆满的完成三峡叶片的生产任务，对不锈钢铸件的热处理工艺进行专题立项，进行技术研究。

2.试验过程

通过查找资料、调查国外生产厂家的热处理技术，经过对比、验证及调整，并就现有设备的情况制订出了几种热处理工艺方案进行试验：选取四组试样，每组两根，进行四次热处理试验，其工艺如表2所示。

表  2

编号	正火/℃	冷却方式	一次回火/℃	冷却方式	二次回火/℃	冷却方式
1	1030	风冷	615	空冷	600	炉冷
2	1030	风冷	620	空冷	600	炉冷
3	1030	风冷	650	空冷	600	炉冷
4	1030	风冷	680	空冷	620	炉冷

为了使试验具有可比性，选取了同一炉次冶炼的试棒进行试验，通过模拟软件模拟的结果，试棒的凝固及冷却过程基本相似。在进行热处理试验时，也是选取的同一个热处理炉来进行试验，保证了此次试验具有良好的可比性。

试验后的性能值如表3所示。

表  3

编号	σ0.2/MPa	σb/MPa	δ（%）	Ψ（%）	HB	aKv/J
1	655	930	15.0	65.5	260	150 155 146
2	715	915	17.0	68.0	285	150 134 152
3	820	885	18	61.5	269	137 145 146
4	685	800	21.0	70.0	278	145 154 160

从几组试验数据上看，对于铸件的抗拉强度指标基本上都能达到三峡叶片的技术要求，而铸件的延伸率指标则不容易达到要求。可以看出，要同时提高这两个指标非常难，一共进行了4组试验，只有一组完全达到了要求。后来又通过几次对此种工艺方案的验证，最终确定了比较合适的热处理工艺。通过此工艺处理的铸件，其性能值基本上都能够达到要求，也有一些没有达到相应的要求，但是通过对三片三峡叶片的热处理来看，所有指标均满足了要求。

金相组织如如1所示，从金相组织上看，热处理后得到的组织均为板条状马氏体组织，且非常均匀。

 

 

3.生产过程

（1）三峡叶片热处理前的准备

由于三峡叶片高度约为5m，铸件毛坯重量达到了25t，这就使铸件的装炉有了很大的困难，而且由于叶片的高度太高，为了使铸件加热速度及冷却速度基本一致，也为了防止叶片在热处理过程中发生较大变形，给后序加工及校型带来难度，通过讨论及借鉴国外的技术，制定了采用立装的方式进行装炉。为了能使叶片立起来后保持稳定，就需要设计专用热处理垫铁，垫铁图片如图2所示。

 

设计时充分考虑了三峡叶片的高度、重心及其稳定性。每组（两块）垫铁有两个开口，可以放置两片叶片，在热处理过程中可以起到良好的固定作用，并可使叶片在加热和冷却过程中基本同步，使叶片表面可以获得均匀的组织及硬度分步。

（2）叶片的装炉方式

为了防止叶片变形，并能够保证叶片在加热及冷却过程中能够取得一致，因而采用立装方式进行装炉。叶片装炉照片如图3所示。

在热处理过程中，为了对叶片各个区域的温度有个直观的概念，在热处理时在叶片本体上加了10只本体热电偶，用来测定叶片本体的温度，并通过调整烧嘴的煤气流量，来控制炉温，使热处理炉的炉温最终和10只本体热电偶的温度趋于一致，最终达到了三峡叶片的热处理温度的均匀性，为叶片具有良好的性能提供了坚实的保证。

（3）三峡叶片的性能值

从表4可以看出，三峡叶片的最终性能指标均达到了技术标准的要求，可见其工艺方案是合理的，是切实可行的，最终圆满的完成了三峡叶片的试制工作，为以后批量生产提供了技术支持。

 

4.结语

从所生产的三片三峡叶片来看，其最终性能值都满足了三峡叶片的要求。在其他的不锈钢铸件的应用上大多数也达到了上述指标。由此可得出合理的热处理工艺方案，即第四种工艺方案。此次研究取得了良好的效果，为以后批量生产三峡叶片提供了坚实的技术保证。

试制的三峡叶片完全符合三峡叶片新标准，达到国外同类产品先进水平。使我们具有了批量生产巨型叶片的技术和能力，实现了巨型叶片国产化的目标，扩大了大容量水电机组的国产化份额，增强了民族工业在国际上的竞争力，使国外垄断局面得以根本改变，社会效益、经济效益显著。