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大型锻件是冶金、核电、火电等高端装备的核心构件，其制造水平是国家热加工极端制造能力的体现，也是国家重大装备建设的重要保障。由于其尺寸巨大，铸锭浇注时存在多域流动和复杂的质能传递，凝固时间长，冷速差异大，导致晶粒和成分不均，夹杂等缺陷严重; 锻造时需要反复、长时加热和多次变形，温度和变形量的均匀化难度大，缺陷和组织演变复杂; 热处理面临大尺寸特有的表面心部加热冷却不同步、热处理应力巨大、组织调控复杂等难题。因此，大型锻件的热加工制造过程是一个复杂的系统工程，虽然我国已具备世界一流的锻件热加工装备，但由于基础研究落后，有些关键锻件尚不能自主制造，与世界先进水平尚有一定差距。

大型锻件的热处理按照其作用可分为预备热处理和性能热处理; 预备热处理，也称为锻后热处理，通常是为了细化和均匀化锻造造成的粗晶和混晶，消除锻造后的残余应力，提高其内部成分与组织的均匀性，为下一步的性能热处理提供良好的组织状态。最终热处理也称为性能热处理，使构件最终获得优异的力学性能。大型锻件材料，尤其是中高淬透性钢，如Ni-Cr-Mo-V、Ni-Cr-Mo、Ni-Mo-V 系等，珠光体转变区显著右移，其典型组织往往为贝氏体或贝氏体+ 马氏体等非平衡组织，容易造成组织遗传导致的晶粒粗大。

本文主要介绍造成锻后晶粒细化非常困难的组织遗传现象与起源，消除组织遗传的常见工艺途径，以及两种典型大型锻件的锻后晶粒细化工艺。

1.大型锻件中的组织遗传  

中高淬透性的大型锻件用钢通常具有强烈的组织遗传倾向，即粗大的原奥氏体晶粒经冷却后再次奥氏体化，新奥氏体会继承原先的晶粒尺寸与位向，这就导致了大型锻件中粗大与不均匀晶粒难以细化和均匀化。一般认为，组织遗传是中高淬透性钢的非平衡组织在缓慢加热时所特有的现象。与平衡组织不同，非平衡组织奥氏体化时，在Ac1温度附近易形成针状( 薄片状) 奥氏体，其和母相保持K-S 位向关系，在长大过程中发生合并，从而导致晶粒粗大。

组织遗传过程如图1 所示，其发生的条件有: ①加热前为非平衡组织，如马氏体或贝氏体，具有保留原始奥氏体晶粒取向的能力; ②加热至奥氏体形成温度时，铁素体不发生再结晶，保持原始晶粒位向; ③片状奥氏体得到充分生长，经过一次相变循环之后，原奥氏体晶粒的位向、尺寸保持不变。

2.大型锻件晶粒细化常用手段 

对于大型锻件而言，组织遗传是导致晶粒粗大的主要原因。针对切断和抑制组织遗传效应，国内外学者进行了大量研究，总结出以下几种常见工艺方法( 图2) ，主要包括临界区快速加热、高温正火、高温回火、过冷奥氏体平衡转变等。

2.1 临界区快速加热( 获得球状奥氏体)

钢的非平衡组织重新加热进行奥氏体化时，新相形核既可以是针片状，也可以是球状。若转变产物以前者为主，则原有的粗大奥氏体晶粒将得到恢复，造成组织遗传; 若转变产物以后者为主，那么晶粒将得到细化，消除组织遗传，影响两种产物形成的主要因素就是加热速度。表1中列出了加热速度对3% CrMoV 钢晶粒度的影响。加热速度越慢，则在较低奥氏体化温度停留时间越长，片状奥氏体发展得越充分，组织遗传越严重。加热速度越快，则球状奥氏体迅速占主导地位，片状奥氏体的影响急剧减弱。所以在这种情况下的晶粒细化关键就在于抑制片状奥氏体的形核长大，得到球状奥氏体，从而消除组织遗传。

但是在大型锻件的实际生产中，要达到消除组织遗传的临界加热速度并非易事。有学者 针对26Cr2Ni4MoV 钢( 其片状奥氏体孕育期为140 s) 的组织遗传开展了系统的研究，采用孕育期叠加原理进行计算，发现临界加热速度必须超过370℃ /h 才能有效防止组织遗传。而现有的加热设备条件只能保证直径400mm 的截面达到这一加热速度，对于很多直径达2000～3000mm的大型锻件，提高加热速度难以实现消除组织遗传的效果。

2.2 高温正火( 奥氏体再结晶)

钢的奥氏体再结晶是由于α→γ 相变体积膨胀造成较大的内应力，与加热过程中的热应力共同作用，使钢“内硬化”，为回复及再结晶提供了驱动力。再结晶后的晶粒具有新的位向，与原始粗大晶粒没有固定的位向关系，生长过程不会发生合并，可以有效切断组织遗传。

有学者对转子钢的奥氏体再结晶与晶粒遗传的关系进行了系统研究，发现具有以下规律: ①奥氏体再结晶必须达到Ac3以上某一临界温度才能发生;②奥氏体再结晶需要一定的孕育期，温度越高孕育期越短; ③奥氏体再结晶在一个温度范围内进行，再结晶终了时间随温度升高而缩短。

奥氏体再结晶属于热激活过程，受温度影响极大。当再结晶温度较低时，孕育期长，参与结晶的奥氏体数量较少，形核率也较低，再结晶后晶粒粗大; 当再结晶温度较高时，孕育期短，晶粒长大速度快，再结晶晶粒也会粗大。因此，采用奥氏体再结晶的方法来细化晶粒的难点在于确定合适的再结晶温度和等温时间。

2.3 高温回火( 消除残留奥氏体)

组织遗传性强烈的高淬透性钢在奥氏体化过程中，片状奥氏体沿板条界残留奥氏体形成，从而保留了位向关系，它继承了原奥氏体的位向，与之保持共格关系的α 相因此成为片状奥氏体迅速生长的广阔空间，使得片状奥氏体在刚刚超过Ac1温度后迅速生成长大，并在彼此相遇时合并成与原奥氏体晶粒尺寸、形状和位向完全相同的粗大奥氏体晶粒，即发生了组织遗传。所以，消除残奥这一非均匀奥氏体形核的基底也是抑制晶粒遗传的可行手段。进一步的研究发现，26Cr2Ni4MoV 钢在600 ℃左右回火10 h，分解残留奥氏体，从而细化晶粒的效果最好，可达6～7 级。

2.4 过冷奥氏体等温转变( 获得平衡组织)

组织遗传是非平衡组织特有的现象，如果大型锻件在锻造以后经历一个平衡分解的过程，例如得到珠光体组织，当再次加热时，珠光体内只形成球状奥氏体，不保留原有位向，从而得到细化的晶粒，在根本上切断了组织遗传。对于某些大型锻件用钢，其含有较高的Ni、Cr、Mo、V 等合金元素，珠光体转变曲线显著右移，即使采用随炉冷却工艺，仍很难获得珠光体组织。

2.5 合金成分优化

从材料设计的角度出发，在标准范围内适当调整合金元素含量，亦是减轻或者消除组织遗传的有效途径。例如，从低压转子用钢30Cr2Ni4MoV 的质量统计中可以看出，其在淬透性、强度、韧性有裕度的情况下，冶炼时对Cr、Ni 采取中限控制，C、V 采取下限控制，能有效地降低组织遗传的敏感性，从而简化锻后热处理工艺。

3.典型大型锻件的晶粒细化与均匀化热处理工艺

3.1 超大直径30Cr2Ni4MoV 钢低压转子锻件

1000MW 级核电常规岛汽轮机组低压转子锻件是世界上所需钢锭最大、锻件毛坯最重、截面尺寸最大、技术要求最高的实心锻件，热处理毛坯重量超过300 t，最大截面直径约2900 mm，长度超过11000 mm，是代表热加工综合技术最高水平的产品之一。由于其在前道热加工工序中已形成稳定的粗大晶粒，且30Cr2Ni4MoV 钢具有较强的组织遗传性，因此，在锻后热处理中切断组织遗传并细化晶粒是亟待解决的关键问题。

3.1.1 多次正火工艺

多次正火是大型锻件通常采用的锻后热处理工艺，经生产实践证明可以有效地控制晶粒尺寸在要求范围之内。锻后热处理的正火次数与锻件尺寸大小及晶粒粗化程度有关，一般采用2 次及以上，其中第一次正火温度稍高，第二次及以后的温度稍低。

针对上述低压转子锻件制定了900 ℃+870 ℃ +870 ℃+ 870 ℃的4 次正火工艺，工艺如图3 所示。

 图3工艺中各阶段的晶粒度结果如表2所示，与原始粗晶粒相比，其晶粒都有不同程度的细化，细化效果随正火次数的增加而提高，但是超过三次正火后晶粒度基本保持不变。

3.1.2 部分珠光体转变+一次正火工艺

对26NiCrMoV钢的研究表明，两次珠光体转变过程可以达到与4 次正火相近的晶粒细化效果，原因在于珠光体转变使原奥氏体位向发生无规则地重排，阻碍了组织遗传的形成，更有利于晶粒细化。但是易发生组织遗传的钢种，其珠光体等温转变过程往往需要很长时间。所以，对于超大直径的30Cr2Ni4MoV 低压转子锻件而言，可考虑部分珠光体转变结合一次正火的锻后热处理工艺，以期节约处理时间，提高效率。

图4 为600 ℃不同等温时间的珠光体转变+ 一次正火的热处理工艺示意图。等温120、240、360 和480 h 获得的珠光体转变量与最终细化的晶粒尺寸如表3 所示。

600 ℃等温处理并不能获得完全的珠光体组织，但是转变后的珠光体组织呈现网状分布，如图5( a)所示; 再次加热时，在粗大奥氏体晶界通常形成球状奥氏体晶核，从而有效减小了组织遗传的作用范围。

从表3 和图5 可以看出，等温时间越长得到的晶粒越细，但其细化效果随着等温时间的延长，提升幅度并不显著。等温120h 获得珠光体量虽然仅有约15%，但经过一次正火后晶粒度从原始的1级显著降低至5.9 级，然而，等温时间延长至360h，晶粒度仅小幅提升至6.2 级。

3.2 X12CrMoWVNbN10-1-1 超超临界高中压转子锻件

超超临界汽轮机组的蒸汽温度达到600 ℃、蒸汽压力达到25～30 MPa，其高中压转子使用X12CrMoWVNbN10-1-1 铁素体耐热钢与低压转子30Cr2Ni4MoV 钢一样，组织遗传严重，同样面临着如何解决粗晶及混晶的难题。

百万千瓦超超临界转子锻件尺寸大，在加热冷却过程中极易开裂，需要缓慢的加热与冷却，所以多次正火工艺时间过于漫长，效率低下，而且晶粒细化与均匀化效果并不理想。虽然该钢的珠光体转变也极为困难，但为了避免开裂，锻后等温珠光体转变工艺仍为最佳的切断组织遗传的方法。

图6为Φ1400 mm 超超临界高中压转子锻件锻后晶粒细化工艺。由于锻造温度高，该锻件锻后晶粒粗大，混晶严重。根据X12CrMoWVNbN10-1-1钢TTT 曲线的珠光体转变鼻尖温度和转变时间，选择700℃ 等温250h 以确保基本完成珠光体转变切断组织遗传。由于锻后热处理后获得珠光体组织，在后续性能热处理的奥氏体化过程中，已无组织遗传问题，易于获得满足性能要求的均匀奥氏体晶粒。

4.结 论

本文介绍了大型锻件中的组织遗传现象，总结了切断组织遗传达到晶粒细化的若干热处理工艺，包括临界区快速加热、高温正火、高温回火等; 重点介绍了典型的汽轮机低压转子锻件和超超临界高中压转子锻件的锻后热处理晶粒细化工艺。

大型锻件锻后热处理工艺目前尚未形成成熟完整的理论和工艺规范，一方面，不同成分材料中的相变特征迥异，影响晶粒的演变; 另一方面，大型锻件的尺寸也影响着不同部位相变的进程。因此在后续的研究中，一是要在基础理论方面深入研究和阐明内在的与相变密切相关的奥氏体晶粒演化机理，二是要针对大型锻件进行实际热处理设备和实际工艺过程的物理和数值模拟以制订优化的锻后热处理工艺，确保工艺执行的晶粒细化效果。

来源：锻造技术圈