浅析水轮机叶片中频感应加热设备热处理工艺的改进

大型水轮机叶片应具有高的综合力学性能和优良的耐腐蚀、抗泥砂磨损、抗水下疲劳等使用性能，并且同时具有优良的中频感应加热设备热处理等工艺加工性能。Ni4钢是满足上述性能的大型水轮机叶片马氏体不锈钢。生产实践表明，水轮机叶片气蚀破坏是导致工件断裂失效重要原因之一，引起了人们高度重视。为此，进行了提高和改善Ni4钢叶片耐蚀性能及影响因素的中频感应加热设备热处理工艺试验与分析工作，并提出了工件获得较佳耐气蚀性能与力性能的热处理工艺。

试验采用Ni4钢叶片试件．经不同中频感应加热设备热处理并进行金相组织与力学性能测试。试验结果显示。经上述不同热处理工艺处理的试件采用转盘气蚀法和磁致伸缩（气蚀）法试验，并测试试件气蚀失重情况，试验结果可以看出，随着试件钢中残留奥氏体含量增加，气蚀失重变化呈凹形曲线状况，在残留奥氏体含量约10%（体积分数）左右其气蚀失重较低。试验研究表明，气蚀过程中，机械应力造成裂纹的萌生与扩展是气蚀破坏的主要原因，而裂纹的萌生与扩展是要消耗能量的，裂纹扩展时吸收外力应变能愈多，裂纹扩展则越缓慢；也就是说，材料的应变能越大，即材料强度愈高，则材料的耐气蚀性能越好。试验研究发现，Ni4钢叶片组织中残留奥氏体很细小，分布弥散，分割基体而使晶粒细化，但是，残留奥氏体细化晶粒作用是随残留奥氏体含量不同而变化的。在中频感应加热设备热处理后，当残留奥氏体含量达10%（体积分数）左右时，残留奥氏体呈细小弥散分布，其作用基本可连续分割基体，此时具有较佳细化晶粒效果。当残留奥氏体体积分数大于10%后，残留奥氏体慢慢集聚为大块形貌，其连续分割基体作用下降，故细化晶粒作用明显下降。另外，试验研究发现，Ni4钢叶片试件气蚀过程中，组织中发生残留奥氏体一马氏体转变，使工件耐气蚀性能提高；当残留奥氏体为10%(体积分数）左右时，由于残留奥氏体呈连续网状分布造成裂纹与残留奥氏体接触几率最高，达最大值，因而发生残留奥氏体一马氏体转变的残留奥氏体量最多，其吸收外面应变能最多，达最大值。

综上所述，Ni4钢叶片中残留奥氏体具有的细化晶粒作用，以及残留奥氏体一马氏体转变吸收相变能效果对工件材料性能影响很大。气蚀时，机械应力是造成气蚀破坏的主要原因，因面叶片工件的力学性能决定其耐蚀性能优劣。此外，残留奥氏体作为韧性相还具有阻碍气蚀裂纹扩展的功能与作用，并且这三个因素在残留奥氏体约为10%（体积分数）时达到较佳效果，使工件具有最优的耐气蚀性能。采用优化中频感应加热设备热处理工艺，使叶片残留奥氏体控制在10%（体积分数）左右，可使其耐气蚀性能较佳。