CN103341580B - 超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯的自由锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯的自由锻造方法，包括以下步骤：检验；锻前加热；在自由锻锤上对坯料进行锻造，具体的：先将坯料拔长为圆柱形坯料、其外径与阀杆毛坯圆柱形的凸台的外径相等；在圆柱形坯料上压印，压印一侧距离圆柱形坯料端部的距离与阀杆毛坯圆柱形的凸台的长度相等；加深压印、并拔长压印另一侧的圆柱形坯料，使该部分坯料拔长后的外径等于阀杆圆杆外径，得到超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯；将锻后的超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯缓慢冷却。本发明效率高、成本低，多工步、多火次、小变形；不改变金属纤维流线的工艺方案、避免阀杆在成形中缺陷的产生；解决了GH901阀杆锻件技术瓶颈和废品率高等问题。

Description

超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯的自由锻造方法

技术领域

本发明涉及锻造成形领域，具体是一种超临界汽轮机机组用GH901高温合金制得的中压联合调节阀杆毛坯的锤上自由锻造方法。

背景技术

GH901高温合金材料是以Fe-43Ni-12Cr为基，加入钛、铝及相等强化元素的奥氏体型时效硬化合金，并含有微量的硼和较低的碳，经亚稳的γ"[Ni3(Ti、Al)]相弥散强化，微量的铝可抑制γ"向η-Ni3Ti相的转化。合金在650℃以下具有较高的屈服强度和持久强度，760℃以下抗氧化性良好，长期使用组织稳定。该合金是早期发展的较成熟的合金，广泛用于制造在650℃以下工作的航空及地面燃气涡轮发动机的转动盘形件（涡轮盘、压气机盘、轴颈等）、静结构件、涡轮外环及紧固件等零部件。

相关技术手册中记载：对GH901高温合金材料进行锻造，若工艺参数选择或操作不当时，其性能会显示明显的方向性，并可能引起缺口敏感。较大的钢锭不允许直接冷至室温，而应热搬运直接移入锻造加热炉，以防止冷却和再加热时通过时效温度区间。铸锭应锻成最大边长为205mm方坯，而后快冷及修整。锻造时应严格控制工艺参数，防止出现粗细晶粒严重不均匀（两者有明显的界线）现象，保证性能稳定。

因为GH901高温合金材料是一种高温镍基材料、合金元素含量较高，因此，其变形抗力大、塑性压力性较差。现有技术中，对GH901高温合金材料的锻造，一般采用压力机静压锻造成形。但是，由于造价较高和场地限制，国内有能力购置大规格的压力机的企业十分稀少，如果将GH901高温合金材料送至给相关企业代加工，其加工成本较高、周期较长。

因此，申请人开始尝试对GH901高温合金材料进行自由锻锤锻造、制造大型GH901高温合金阀杆毛坯。但是，由于自由锻造是对锻坯采用多次瞬间打击的方式，瞬间锤打使得锻坯变形较快、容易开裂，拉应力部位出现芯部裂纹。

600MW超临界汽轮机用中压联合调节阀杆的尺寸较大，锻件毛坯尺寸φ270X1800，锻件重量达400kg，锻造过程中的最大边大于手册规定的“205mm”，其锤上生产容易出现连续的锻造开裂情况。申请人对GH901高温合金材料进行自由锻、无法提供出合格的阀杆毛坯，国内市场咨询也无厂家有此锻造业绩及技术，国外询价价格极高且不保证交货期，这都严重的影响了超临界600MW机组的产出，为此专门进行GH901阀杆的锤上自由锻成形攻关研究。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种自由锻造的方法，使得超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯在自由锻锤上锻造成为现实，节约成本、缩短工期。

本发明所采用的技术方案是：

超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯的自由锻造方法，所述超临界汽轮机中压联合调节阀杆由GH901高温合金材料整体锻造而成，所述超临界汽轮机中压联合调节阀杆呈圆杆状，一端沿径向、向外凸出一个圆柱形的凸台；所述超临界汽轮机中压联合调节阀杆的自由锻造方法包括以下步骤：

（1）检验：检验坯料规格以及表面质量，并对来料扒皮、进行探伤，清除表面缺陷；

（2）锻前加热：对坯料进行分段加热，具体的：入炉温度小于400℃，缓慢匀速升温至500℃～550℃后、保温3～4小时；然后在2～3小时内缓慢匀速升温至700℃～800℃后、保温3～4小时；最后在3～4小时内缓慢匀速升温至始锻温度1100℃～1160℃后、保温3.5～4.5小时；

（3）在自由锻锤上对坯料进行锻造，具体的：

a.先将坯料拔长为圆柱形坯料、其外径与阀杆毛坯圆柱形的凸台的外径相等；

b.在圆柱形坯料上压印，压印一侧距离圆柱形坯料端部的距离与阀杆毛坯圆柱形的凸台的长度相等；

c.加深压印、并拔长压印另一侧的圆柱形坯料，使该部分坯料拔长后的外径等于阀杆圆杆外径，得到超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯；

所述步骤a和c中分别包含若干次交替进行的镦粗和拔长步骤，且每一次镦粗和拔长时的锻造比控制在0.8～1.3，锻造温度为控制在1200℃～800℃；

（4）将锻后的超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯缓慢冷却。

所述步骤（1）中的探伤是超声波探伤和渗透探伤。

所述步骤（2）中的锻前加热是在天然气炉中加热。

所述步骤（3）中的自由锻锤所使用的锤砧在使用前要预热至200～350℃。

所述步骤a中具体的镦粗和拔长步骤为：首先将坯料镦粗为长方体，再将其经过若干次拔长呈截面为正方形的柱体、且该正方形边长等于超临界汽轮机中压联合调节阀杆圆柱形的凸台的外径，然后将其倒棱成多边形柱体、再滚圆。

所述步骤c中具体的镦粗和拔长步骤为：首先将待拔长的压印另一侧圆柱形坯料镦粗为长方体，再将其经过若干次拔长呈截面为正方形的柱体、且该正方形边长等于超临界汽轮机中压联合调节阀杆圆杆的外径，然后将其倒棱成多边形柱体、再滚圆。

所述缓慢冷却是在缓冷坑中缓慢冷却、或者在炉中随炉体缓慢冷却。

本发明所产生的有益效果是：

本发明的超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯的自由锻造方法，制定了效率高、成本低的成形工艺流程；采用多工步、多火次、小变形塑性成形锤上锻造方法；不改变金属纤维流线的工艺方案、避免阀杆在成形中缺陷的产生；解决了GH901阀杆锻件技术瓶颈和废品率高等问题；特别适用于600MW超临界汽轮机用GH901中压联合调节阀杆的锻造。

通过申请人在生产过程中的验证，高温合金GH901超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯锤上锻造的工艺科学合理，解决了国内高温合金锻造的技术瓶颈，为后期高参数汽轮机用高温合金锻件毛坯生产奠定了坚实的技术基础。严格按照本工艺流程和过程控制生产的本发明锻造的超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯，经后期热处理、粗车后，锻件性能、UT探伤均达到设计要求。

附图说明

图1是超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式中锻前加热的温度—时间曲线；

图3是本发明具体实施方式的步骤ⅰ的流程示意图；

图4是本发明具体实施方式的步骤ⅱ的流程示意图；

图5是本发明具体实施方式的步骤ⅲ～ⅵ的流程示意图；

具体实施方式

如图1所示，本发明中的超临界汽轮机中压联合调节阀杆由GH901高温合金材料整体锻造而成，该超临界汽轮机中压联合调节阀杆呈圆杆状，一端沿径向、向外凸出一个圆柱形的凸台。

本发明提供了一种超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯的自由锻造方法，包括以下步骤：

（1）检验：检验坯料的牌号、规格以及表面质量，并对来料扒皮、进行探伤，清除表面缺陷；其中探伤一般是采用超声波探伤UT和渗透探伤PT，也可以采用其他形式的探伤，如X光射线探伤、磁粉探伤、涡流探伤、γ射线探伤、萤光探伤等。如果坯料表面有缺陷，必须清除表面缺陷，重复检验合格后、再进入下一步骤。

（2）锻前加热：对坯料进行分段加热，具体的：入炉温度小于400℃，缓慢匀速升温至500℃～550℃后、保温3～4小时；再缓慢匀速升温2～3小时至700℃～800℃后、保温3～4小时；最后在3～4小时内缓慢匀速升温至始锻温度1100℃～1160℃后、保温3.5～4.5小时；其中锻前加热是在天然气炉中加热，也可以采用其他形式的加热炉，如燃煤炉和电热式的工业炉等。

（3）在自由锻锤上对坯料进行锻造，自由锻锤所使用的锤砧在使用前要预热至200～350℃。

自由锻造的具体步骤为：

a.先将坯料拔长为圆柱形坯料、其外径与阀杆毛坯圆柱形的凸台的外径相等；

b.在圆柱形坯料上压印，压印一侧距离圆柱形坯料端部的距离与阀杆毛坯圆柱形的凸台的长度相等；

c.加深压印、并拔长压印另一侧的圆柱形坯料，使该部分坯料拔长后的外径等于阀杆圆杆外径，得到超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯；

步骤（3）根据高温合金GH901材料的变形特点，采用多工步、多火次、小变形塑性成形工艺；根据超临界汽轮机中压联合调节阀杆的结构特点和原材料情况，采用不改变金属纤维流线的工艺方案，避免阀杆在成形中缺陷的产生。具体的，步骤a和c中分别包含若干次交替进行的镦粗和拔长步骤，进一步说明如下：

步骤a中的镦粗和拔长步骤为：首先将坯料镦粗为长方体，再将其经过若干次拔长呈截面为正方形的柱体、且该正方形边长等于超临界汽轮机中压联合调节阀杆圆柱形的凸台的外径，然后将其倒棱成多边形柱体、再滚圆。

步骤c中镦粗和拔长步骤为：首先将待拔长的压印另一侧圆柱形坯料镦粗为长方体，再将其经过若干次拔长呈截面为正方形的柱体、且该正方形边长等于超临界汽轮机中压联合调节阀杆圆杆部分的外径，然后将其倒棱成多边形柱体、再滚圆。

步骤a和c中的“倒棱成多边形柱体”，一般是将坯料倒棱成正八边形柱体，当然也可以是正六边形柱体、正十二边形柱体等等。

上述镦粗和拔长的次数由坯料的尺寸和超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯的尺寸决定，根据不同情况计算和选择。需要注意的是：每一次镦粗和拔长时的锻造比为0.8～1.3，要求镦粗和拔长符合变形工艺，严格控制每一锤的打击变形，每一锤变形量的不能过大；在步骤c中、拔长超临界汽轮机中压联合调节阀杆的圆杆部分时，更需严格控制锻造比为0.8～1。锻造温度为：始锻温度1160℃～1100℃，终锻温度900℃～800℃。具体的：当温度低于终锻温度900℃～800℃时回炉加热，回炉加热温度连续升温至始锻温度1160℃～1100℃后进行保温1～2小时。

锻造比是锻造时金属变形程度的一种表示方法。锻造比以金属变形前后的横断面积的比值来表示。不同的锻造工序，锻造比的计算方法各不相同。

拔长时，锻造比为y=F₀/F₁或y=L₁/L₀，式中F₀和L₀分别指：拔长前坯料的横断面积和长度，F₁和L₁分别指：拔长后坯料的横截面积和长度。本发明取y=F₀/F₁=Φ₀ ²/Φ₁ ²或a₀ ²/a₁ ²或或式中：Φ₀是拔长前圆柱形坯料的直径，Φ₁是拔长后圆柱形坯料的直径；a₀是拔长前正方形柱体坯料的边长，a₁是拔长后正方形柱体坯料的边长。本发明在拔长时，锻造比=Φ₀ ²/Φ₁ ²或a₀ ²/a₁ ²或或为0.8～1.3。

镦粗时，锻造比（也称镦粗比或压缩比）为y=F₁/F₀或y=H₀/H₁，式中F₀和H₀分别指：镦粗前坯料的横截面积和高度，F₁和H₁分别指：镦粗后坯料的横截面积和高度。本发明取y=F₁/F₀=Φ₁ ²/Φ₀ ²或a₁ ²/a₀ ²或或式中：Φ₀是镦粗前圆柱形坯料的直径，Φ₁是镦粗后圆柱形坯料的直径；a₀是镦粗前正方形柱体坯料的边长，a₁是镦粗后正方形柱体坯料的边长。本发明在镦粗时，锻造比=Φ₁ ²/Φ₀ ²或a₁ ²/a₀ ²或或为0.8～1.3。

另外，在步骤（3）的自由锻造过程中，如果发现坯料表面产生细小裂纹后，必须及时清除、不能带伤作业。

（4）将锻后的超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯缓慢冷却。其中缓慢冷却是在缓冷坑中缓慢冷却、或者在炉中随炉体缓慢冷却，甚至可以在锻后的超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯表面设置缓冷保温罩或隔热棉，精确控制缓慢冷却的速率。

如图2～5所示，下面以600MW超临界汽轮机用GH901中压联合调节阀杆毛坯的锻造为例，该超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯的长度为1800。其中：圆杆长度为1300、外径为Φ150，圆柱形凸台长度为500、外径为Φ270，坯料为圆柱形坯料，其高度为600、外径为Φ350（上述尺寸的单位为mm，以下均省略）。下面对其进行自由锻造的方法具体说明：

（1）检验：检验材料来料牌号、规格以及表面质量，原材料扒皮，进行UT、PT探伤，如果原料表面有缺陷，必须清除表面缺陷；

（2）锻前加热工艺：采用天然气炉加热，入炉温度400℃以下，升温至500℃后保温4h；再升温至800℃（升温时间3h）后，保温4h；再升温至1160℃（升温时间4h）后，保温4h。加热曲线如图1所示。

（3）在自由锻锤上对坯料进行锻造：采用3吨自由锻锤，优化锻造工艺、制定锻造过程的工步图，如图2～5所示。

ⅰ如图2所示，将坯料由沿轴向拔长、并同时将Φ350的圆柱体坯料锻成四方柱体坯料一，该正方形柱体坯料一的截面为正方形、且边长为300，

再将边长为300的正方形柱体坯料继续拔长为边长为280的正方形柱体坯料二，此次拔长的锻造比=a₁ ²/a₀ ²≈1.15。

上述步骤ⅰ不改变金属纤维方向，采用2火次、3吨锤。由于此时坯料的直径较大、变形所需的锤击力较大，因此通过仔细分析，在该步骤可以大力打击，不会造成坯料心部的变形速度过快、造成心部裂纹。

ⅱ将边长为280的正方形柱体坯料二倒棱为正八边形柱体坯料，再由正八边形柱体坯料锻造成Φ270的圆柱体坯料。这一步骤如上采用2火次、3吨锤。

ⅲ在Φ270的圆柱形坯料上压印，压印一侧距离Φ270的圆柱形坯料端部的距离为500、与阀杆毛坯圆柱形的凸台的长度相等。本具体实施方式中，压印是在步骤ⅱ的最后一次火次时、控制锻造时的操作速度，同时完成压印作业。

ⅳ加深压痕，并将压印另一侧、Φ270的圆柱形坯料沿轴向拔长，并同时将其锻造成为边长为240的正方形柱体坯料部分一，上述步骤ⅳ采用1火次、3吨锤，在加深压印时加快操作速度，可为后面的拔长赢得更多的时间。

ⅴ将边长为240的正方形柱体坯料部分二锻造为边长为200的正方形柱体坯料部分三，此次锻造的锻造比=H₀/H₁=a₀/a₁≈1.2。

再继续将边长为200的正方形柱体坯料部分三继续拔锻造为边长为160的正方形柱体坯料部分四，此次拔长的锻造比=H₀/H₁=a₀/a₁≈1.25。

上述步骤ⅴ采用2火次、3吨锤。由于此时坯料的直径较小，因此大的打击力可以造成金属变形速度加快，严格控制锤击力、控制变形速率，防止心部开裂。

ⅵ将边长为160的正方形柱体坯料部分四倒棱为正八边形柱体坯料部分，再由正八边形柱体坯料部分锻造成Φ150的圆柱体坯料。这一步骤如上采用2火次、3吨锤，严格控制锤击力、轻锤慢击。

ⅶ将得到锻件校形、锻造成工艺要求的尺寸。这一步骤采用1火次。

需要注意的是：

①严格按图1所示的加热曲线加热，控制始锻温度，严禁在终锻温度以下进行锻造；在锻造过程中，采用红外线测温仪检测每火的始锻温度和终锻温度，有效防止了低温锻造时易造成心部开裂的因素。各工步之间的保温生产时间要足够（为保证加热均匀可在坯料下加垫）。

②锻造锤击时一定要轻锤慢击，严格控制变形速度及每火次变形量，倒角一定要轻锤打击防止变形速度过快造成心部开裂。

③在生产前要对锤砧及工具工装进行预热，否则很容易造成阀杆开裂，锻造时的锤击力在前期达不到变形的需要，在后期又超过质量保证要求变形小的情况，工具工装在这种超高变形抗力材料的锻造生产中因破坏而频繁更换。

④本方法根据3吨自由锻锤的特点和申请人的生产经验，优化锻造工艺，给出每火锻造的工步图及操作要点，提出工步的合理优化，10个火次即可完成对600MW超临界汽轮机用GH901中压联合调节阀杆毛坯的锻造。

Claims (5)

1. 超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯的自由锻造方法，所述超临界汽轮机中压联合调节阀杆由GH901高温合金材料整体锻造而成，所述超临界汽轮机中压联合调节阀杆呈圆杆状，一端沿径向、向外凸出一个圆柱形的凸台；其特征在于，所述超临界汽轮机中压联合调节阀杆的自由锻造方法包括以下步骤：

（1）检验：检验坯料规格以及表面质量，并对来料扒皮、进行探伤，清除表面缺陷；

（2）锻前加热：对坯料进行分段加热，具体的：入炉温度小于400℃，缓慢匀速升温至500℃～550℃后、保温3～4小时；然后在2～3小时内缓慢匀速升温至700℃～800℃后、保温3～4小时；最后在3～4小时内缓慢匀速升温至始锻温度1100℃～1160℃后、保温3.5～4.5小时；

（3）在自由锻锤上对坯料进行锻造，根据高温合金GH901材料的变形特点，采用多工步、多火次、小变形塑性成形工艺；根据超临界汽轮机中压联合调节阀杆的结构特点和原材料情况，采用不改变金属纤维流线的工艺方案，避免阀杆在成形中缺陷的产生；具体的：

a．先将坯料拔长为圆柱形坯料、其外径与阀杆毛坯圆柱形的凸台的外径相等；具体的镦粗和拔长步骤为：首先将坯料镦粗为长方体，再将其经过若干次拔长呈截面为正方形的柱体、且该正方形边长等于超临界汽轮机中压联合调节阀杆圆柱形的凸台的外径，然后将其倒棱成多边形柱体、再滚圆；每一次镦粗和拔长时的锻造比控制在0.8～1.3；

b．在圆柱形坯料上压印，压印一侧距离圆柱形坯料端部的距离与阀杆毛坯圆柱形的凸台的长度相等；

c．加深压印、并拔长压印另一侧的圆柱形坯料，使该部分坯料拔长后的外径等于阀杆圆杆外径，得到超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯；具体的镦粗和拔长步骤为：首先将待拔长的压印另一侧圆柱形坯料镦粗为长方体，再将其经过若干次拔长呈截面为正方形的柱体、且该正方形边长等于超临界汽轮机中压联合调节阀杆圆杆的外径，然后将其倒棱成多边形柱体、再滚圆；严格控制锻造比为0.8～1；

所述步骤a和c中，锻造温度为：始锻温度1160℃～1100℃，终锻温度900℃～800℃；具体的：当温度低于终锻温度900℃～800℃时回炉加热，回炉加热温度连续升温至始锻温度1160℃～1100℃后进行保温1～2小时；

（4）将锻后的超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯缓慢冷却。

2. 根据权利要求1所述超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯的自由锻造方法，其特征在于，所述步骤（1）中的探伤是超声波探伤和渗透探伤。

3. 根据权利要求1所述超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯的自由锻造方法，其特征在于，所述步骤（2）中的锻前加热是在天然气炉中加热。

4. 根据权利要求1所述超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯的自由锻造方法，其特征在于，所述步骤（3）中的自由锻锤所使用的锤砧在使用前要预热至200～350℃。

5. 根据权利要求1所述超临界汽轮机中压联合调节阀杆毛坯的自由锻造方法，其特征在于，所述缓慢冷却是在缓冷坑中缓慢冷却、或者在炉中随炉体缓慢冷却。