1、第 15 卷 第 9 期 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 99 收稿日期：2023-03-28 Received：2023-03-28 基金项目：广东省科技计划（2022A0505050052）；广州市科技计划（201604046026）；广东省科学院发展专项（2022GDASZH-2022010203）Fund：Science and Technology Planning Project of Guangdong Province(2022A0505050052);Science and Tech
2、nology Planning Project of Guangzhou(201604046026);GDAS Project of Science and Technology Development(2022GDASZH-2022010203)引文格式：邵光辉,杨克,邹晓东,等.汽轮机转轴表面 CMT 修复层微观组织及力学性能对比研究J.精密成形工程,2023,15(9):99-107.SHAO Guang-hui,YANG Ke,ZOU Xiao-dong,et al.Comparative Study of Microstructure and Mechanical Propertie
3、s in CMT Repair Layers on Surface of Steam Turbine RotorJ.Journal of Netshape Forming Engineering,2023,15(9):99-107.汽轮机转轴表面 CMT 修复层微观组织 及力学性能对比研究 邵光辉1，杨克2，邹晓东2*，易江龙2，刘俊建1（1.大唐锅炉压力容器检验中心有限公司，合肥 231200；2.广东省科学院中乌焊接研究所 广东省现代焊接技术重点实验室，广州 510650）摘要：目的目的 针对汽轮机 Cr12NiWMoV 转轴在高温环境下的磨损失效问题，对失效部位进行堆焊修复。方法方法 选
4、用 Inconel 625 合金和 316L 不锈钢 2 种材料，利用冷金属过渡（CMT）技术在汽轮机转轴表面进行堆焊修复再制造。利用光学显微镜、扫描电子显微镜、维氏硬度计和万能试验机等手段，对 2 种堆焊修复材料和母材的结合情况进行测试和分析，探究其微观组织和力学性能的差异。结果结果 光学显微镜结果表明，Inconel 625 合金和 316L 不锈钢的熔覆层与基体具有良好的冶金结合，修复试样无缺陷。316L 不锈钢修复层组织为奥氏体+-铁素体，而-铁素体的形成会导致修复层硬度降低、塑性下降；Inconel 625 合金修复层的微观组织以奥氏体为基体，具有典型的柱状晶结构，且在枝晶间区域观察
5、到 Nb、Mo 元素的大量偏聚，这会导致不规则形状的 Laves 相和细小的 MC 碳化物在枝晶间区域大量析出。Laves 相为脆性相，在室温拉伸过程中易成为裂纹的主要形核点，造成裂纹的产生与扩展，使修复层的延伸率降低。结论结论 与 316L 不锈钢相比，Inconel 625 合金修复层具有更高的强度和硬度，更适合成为汽轮机转轴表面的堆焊修复材料。关键词：Inconel 625；316L 不锈钢；汽轮机转轴；修复再制造；CMT DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.09.012 中图分类号：TG455 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)09
6、-0099-09 Comparative Study of Microstructure and Mechanical Properties in CMT Repair Layers on Surface of Steam Turbine Rotor SHAO Guang-hui1,YANG Ke2,ZOU Xiao-dong2*,YI Jiang-long2,LIU Jun-jian1(1.Datang Boiler and Pressure Vessel Inspection Centre Co.,Ltd.,Hefei 231200,China;2.Guangdong Key Labora
7、tory of Modern Welding Technology,China-Ukraine Institute of welding,Guangdong Academy of Science,Guangzhou 510650,China)ABSTRACT:The work aims to address the issue of high-temperature wear of Cr12NiWMoV steam turbine rotors by surfacing of the failure part.Inconel 625 alloy and 316L stainless steel
8、 were used as raw materials for repairing and remanufacturing on the surface of steam turbine rotors by cold metal transfer(CMT)arc surfacing.Optical microscope,scanning electron micro-scope,Vickers hardness tester and universal testing machine were employed to test and analyze the bonding status be
9、tween the 100 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 base metal and the two surfacing repair materials,to explore the variations in their microstructure and mechanical properties.The results revealed that both the Inconel 625 and 316L stainless steel repair layers were free from defects and flawlessly bonded with t
10、he substrate.Furthermore,the microstructure of the 316L stainless steel repair layer consisted of austenite and a large amount of-ferrite.The formation of-ferrite led to a decrease in the hardness and ductility of 316L stainless steel repair layer.The microstructure of the Inconel 625 repair layer e
11、xhibited a typical columnar structure based on austenite.In addition,the segregation of Nb and Mo elements occurred in the interdendritic region,resulting in the precipitation of a large number of irregularly shaped Laves phase and some fine MC carbides.It was well-known that Laves phases were easy
12、to break up and they were the main nucleation points for the formation of microscopic holes during the room temperature tensile process,leading to a reduction in the ductility of the repair layer.In comparison with the 316L stainless steel repair layer,Inconel 625 alloy repair layer has higher hardn
13、ess and strength,making it more suitable for repairing the surface of steam turbine rotors.KEY WORDS:Inconel 625;316L stainless steel;steam turbine rotor;repairing and remanufacturing;CMT Cr12NiWMoV 钢作为 Cr12 型（Cr 的质量分为12%）马氏体耐热不锈钢，具有高强度、高硬度、耐高温等特点，广泛应用于汽轮机的叶片、阀杆和转轴等高温紧固件中。汽轮机的工作环境恶劣，高温部件在长期使用过程中可能会出
14、现疲劳、点蚀、应力腐蚀开裂、磨损等失效问题，将直接影响汽轮机的正常运行，引发安全事故。由于高温部件的制造成本较高、用量大，因此，采用合适的再制造材料与技术修复汽轮机高温紧固件具有显著的经济效益和重大的社会意义。修复再制造技术是一种利用堆焊、手工电弧焊、激光熔覆等方法对磨损零部件进行修复制造而不需要更换零部件的修复方式，这种技术可以降低生产成本，减少废弃物的数量以及对环境的负面影响1。与其他修复再制造方法相比，冷金属过渡（Cold Metal Transfer，CMT）堆焊技术2-3具有较低的热输入和稳定的电弧，可以保证修复再制造过程的稳定性。Nkki4分别采用激光熔覆和 CMT技术在不锈钢表面
15、堆焊 Inconel 625 合金，研究发现，CMT 的热输入量仅为激光熔覆的 1/6，且熔覆层无缺陷、稀释率低。Lorenzin 等5研究表明，CMT 修复层的稀释率较低，成形效果良好，可用于模式水冷壁和外壁的堆焊修复。因此，CMT 技术可作为一种汽轮机高温紧固件堆焊修复的新型高效技术6。镍基高温合金（如 Inconel 625、Inconel 718）7以及奥氏体不锈钢（如 304L、316L）因具有优异的高温耐腐蚀性、抗氧化性及力学性能，在火力发电、航空航天、石油化工、汽车等领域零部件的制造与修复中得到了广泛应用8。316L 不锈钢为 Fe-Cr-Ni 系合金，与 Cr12NiWMoV
16、基体有良好的润湿性和冶金结合性，因此，316L 不锈钢常作为原材料修复汽轮机的零部件。郭洋等9采用 316L 不锈钢修复汽轮机轴承，发现修复层与基体结合良好，修复层处和热影响区均无裂纹等缺陷。但 316L 不锈钢硬度低、耐磨性不足，当面对服役在严重磨损环境下的零部件时，常采用硬度更高的 Inconel 625 合金进行再制造修复。Keienburg 等10采用 Inconel 625 合金对汽轮机表面进行了堆焊修复，结果表明，修复后的汽轮机性能良好、无缺陷。目前，较少有研究对比分析汽轮机转轴表面316L 不锈钢和 Inconel 625 堆焊修复层的微观组织和力学性能。本文选取 316L 不锈钢和 Inconel 625 合金作为修复原材料，利用 CMT 技术在 Cr12NiWMoV 汽轮机转轴表面进行修复再制造，对比分析 2 种修复层与基体的冶金结合情况以及基体的变形程度，探究 2 种修复层微观组织及力学性能的差异，并评估使用 2 种材料修复受损零部件的可行性，以期为今后的修复工作提供依据。1 试验 试验以汽轮机螺栓（Cr12NiWMoV）为基体材料，采用直径为 1.2 mm 的 3
