CN104526170A - 超超临界高中压转子电熔成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高效、低成本、具有良好力学性能的超超临界高中压转子电熔成形方法。该方法中，将电熔头与基材接至电源两极，成形时金属原料丝材经由输送机构和电熔头送至基材表面，在颗粒状辅料的堆积保护下，原料丝材与基材间产生电弧，熔化部分堆敷辅料形成熔融渣池，电流流过原料丝材和熔融辅料渣池形成电阻热和电渣热，在电弧热、电阻热、电渣热三种热复合高能热源作用下使原料丝材熔化，在基材表面形成局部熔池，持续输送原料丝材与辅料，根据成形构件的分层切片数据，采用计算机控制电熔头与基材的相对移动，实现熔池在基材上快速冷却逐层凝固堆积，最终逐层堆积成形转子构件。
Description
技术领域
本发明涉及一种超超临界高中压转子电熔成形方法。
背景技术
超超临界机组，其发电煤耗低于300Kg/kwh，比同容量的亚临界机组每度电少耗煤20g左右，因此是我国清洁煤发电技术的主要发展方向，也是解决目前电力短缺、能源利用率低和环境污染严重等问题的现实和有效的途径。
超超临界高中压转子是在高温高压环境下运行的合金钢锻件，运行条件最为苛刻，安全要求最高，产品制造难度也极大，目前只有德国和日本少数几家企业可以批量生产。我国超临界化起步晚，尽管国内各主要厂家已经开展了大量技术研究，但作为核心部件的12％Cr系高中压转子，由于材料工艺研发问题，和相应配套设备缺乏等原因，目前12％Cr系高中压转子只能依靠进口。在国际竞争形势日趋激烈的情况下，加速超临界机组用12％Cr系高中压转子材料研发，实现传统铸锻工艺的优化与批量生产，加快国产化步伐，积极展开新型材料制造技术的研发等，具有重要的经济意义和深远的战略意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于，提供一种高效、低成本、具有良好力学性能的超超临界高中压转子电熔成形方法。
为达到上述目的，本发明中超超临界高中压转子电熔成形方法是采用电弧热、电阻热、电渣热复合而成的高能热源熔化原料丝材，在基材上逐层堆积成形的方式；
将电熔头与基材接至电源两极，成形时金属原料丝材经由输送机构和电熔头送至基材表面，在颗粒状辅料的堆积保护下，原料丝材与基材间产生电弧，熔化部分堆敷辅料形成熔融渣池，电流流过原料丝材和熔融辅料渣池形成电阻热和电渣热，在电弧热、电阻热、电渣热三种热复合高能热源作用下使原料丝材熔化，在基材表面形成局部熔池，持续输送原料丝材与辅料，根据成形构件的分层切片数据，采用计算机控制电熔头与基材的相对移动，实现熔池在基材上快速冷却逐层凝固堆积，最终逐层堆积成形转子构件。
汽轮机高中压转子的材料为12％Cr系汽轮机高中压转子钢，电熔制备所用金属原料丝材C含量0.08-0.15％，电熔制得的材料C含量0.04-0.10％，晶粒度7-10级。
本发明中，原料丝材按照不同转子材料要求特殊制备,原料丝材直径可以为2-5mm。
本发明中，根据丝材直径不同，电源参数中的电流为200A～1500A，电压为20V～40V，电源是直流或交流电源，在使用直流电源时，电熔头接正极或负极。
在本发明中，根据成形工件要求，对基材或堆积金属进行加热或冷却，控制基材或堆积金属层的表面温度为100～400℃。能够实现熔池的快速凝固和定向凝固，从而获得晶粒细密、无宏观偏析、组织均匀的材料，极大的改善成形工件的塑性、韧性，尤其是高温力学性能。
在本发明中，根据转子钢尺寸和成形效率要求，电熔头的数量可以设定为1～100个，多电熔头排布时，相邻电熔头间距为50～500mm。
在本发明中，所述基材可以为钢管或钢棒，外径100-300mm，基材长度与转子长度一致，用于为转子工件提供工装支撑，并在工件成形后机加工去除，基材为钢管时，管壁壁厚不小于10mm。
采用本发明，在逐层成形的过程中，原料丝在下层金属表面形成熔池，熔滴以射流形态进入熔池后凝固使两层金属形成一体，实现分层成形，整体融合，保证了成形转子的整体性能。
本发明摆脱了复杂的工装、模具和专用工具的约束；成形即为近净形坯件，生产后只需少量精加工，大大简化加工工序，缩短产品周期,大大提高了效率,节省了成本；所成形转子具有媲美传统锻造工艺的力学和化学性能，强度、韧性、耐蚀等性能均十分突出。
附图说明
图1A为用于说明具体实施方式中的电熔成形方法的原理图；
图1B为图1A中A处的局部放大图；
图2为用于说明实施例中的超超临界高中压转子电熔成形方法的示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的具体实施方式进行说明。图1A本实施方式中涉及的金属构件电熔成形方法的原理说明图；图1B为局部放大图。由于是原理图，因而，图中部件是示意性的，其实际形状与尺寸关系不受图中所示限制。
该成形方法是将原料丝材1熔化而逐层(图1中所示为堆积至第N层时的状态)堆积在基础材2上，从而最终形成所需的金属构件。
具体实施工序为：
A.送丝机构5将原料丝材1送至放置于工作台21上的基材2的表面，其上覆盖由送粉机构4输送的颗粒状辅料。
B.启动电源12，电源电压使原料丝材1与基材2间形成电弧9产生电弧热，电弧热使部分辅料3熔融，形成辅料渣池8，电流经由电熔头6流过原料丝材1形成电阻热，并通过熔融渣池8形成电渣热，三种热源复合而成高能热源，熔化原料丝材，在基材2表面形成熔池11。
C.控制电熔头6与基材2的相对移动和基材2的温度，实现熔池11与基材换热凝固沉积。
D.送丝机构5与送粉机构4持续输送原料丝材1和辅料3，在辅料3覆盖熔池11和基材2的状态下，原料丝材1逐层堆积在基材2上，最终成形工件。
其中，控制装置(计算机)根据成形构件的(数值模拟、数学模型)分层切片数据控制电熔头6与基材2的相对移动方式。
在本发明图示中电熔头电极接正，工件接负只作示意作用，也可以电熔头接负，工件接正，或采取交流电源。
在本发明中，原料丝1的形态可以是圆棒状、带状，实芯或者药芯的；原料丝1的直径可以根据成形工件的尺寸设定为2～5mm；根据丝材1直径不同，伸出电熔头的长度(通电长度)为20mm～150mm。
在本发明中，辅料3覆盖厚度为15mm～120mm，使用辅料3的作用包括：覆盖电弧9，防止电弧飞溅；覆盖熔池11，隔绝空气，使熔池金属免受空气中氧、氮、氢等的侵害；对熔池金属形成保温；冶金反应过程中去除杂质、掺入合金；形成的渣池8(渣壳7)以机械方式保护沉积金属10良好成形等。
辅料3的成分包含氧化物或者氧化物与卤化物，由于辅料3参与熔池反应，调整工件(金属构件、产品)成分，因而根据所要形成的金属构件的成分和效率要求，可以在辅料中添加合金粉末以及/或者单质金属粉末，降低生产成本。
另外，在C工序中，可以附带回收残余辅料以及去除渣池8凝固而形成的渣壳7的操作。去除时，可以在原料丝1的相对移动后方400mm～500mm处开始机器去除或人工去除作业。
采用本实施方式的电熔成形方法，原料丝利用率接近100％；相比现有的加工技术(锻造、铸造等)，制造工序少(不需要复杂的热处理)，周期短，效率高，金属构件的机械加工余量非常小，同时减少了精加工时间及节约了大量的材料。
在本发明中，为了保证形成良好的高能热源，尤其是为了产生充分的电渣热，可以适当地调节辅料的成分、原料丝材的直径、电流、基材与原料丝材的相对移动速度等参数。
【实施例】
本实例描述通过卧式电熔成形方法制作超超临界高中压转子，超超临界高中压转子的长度为4900mm，最大外径为1130mm，其材料为12％Cr系汽轮机高中压转子钢，电熔制备所用金属原料丝材C含量0.08-0.15％，基材选用42CrMo棒材，所使用的设备包括：
(1)回转支撑台；
(2)电熔电源；
(3)电熔头；
(4)自动送丝装置；
(5)辅料自动输送与辅料自动回收装置；
(6)加热装置；
(7)冷却装置；
(8)基材；
(9)控制装置(计算机)。
图2为用于表示本实施例的电熔成形方法的示意性说明图，图中省略了电源、自动送丝装置等装置。材料电源参数如下：
1)选用原料丝材101、直径3mm，C含量0.08-0.15％；
2)20个电熔头601；
3)电熔电源为直流电源，采用电熔头601接电源负极，基材201接电源正极；
4)电熔工艺参数为：电熔电流600A，电熔电压30V，电熔头601与基材201相对移动速度350～450mm/min；
5)基材201为42CrMo棒材,直径250mm，长6米。
采用金属构件电熔成形方法制作构件，其实施步骤如下：
(1)将基材201的轴线水平配置，并支撑在支撑滚轮架上上，先将21个电熔头601以约250mm的间距(通过中央控制装置精确定位和排布)平均横向布置在基材201的上方，且调整好每个电熔头601与基材201表面(外周面)的距离，并选取电熔的起点；
(2)将原料丝材101与辅料301送至基材201表面，启动电源，导入高能热源，熔化原料丝材101及辅料301，同时转动基材201，开始每个电熔头601第一层第一道(每一层由轴向排列的多道构成)的电熔沉积；
(3)当电熔头601与电熔起点之间形成一段距离后，开始启动辅料301回收装置将其未熔化的辅料301收回，露出渣壳并将其清除，以便于下一道的电熔沉积(堆积)；随后启动冷却装置或加热装置对电熔沉积金属进行冷却或加热，将其基体(第一层时是指基材201，其他层时是指前一层堆积金属)的温度控制在200～300℃；
(4)当基材201转动一圈完成第一道电熔沉积时，在控制装置的控制下，所有电熔头601同时往左直线移动3/4熔道宽度距离，同时调整各电熔头601与基材201的表面之间的距离，以保证电熔的稳定性，之后开始第一层第二道的电熔沉积成形，此过程中要保证其左右圈道间搭接良好；
(5)当第二道完成后，重复步骤(4)再完成其它的电熔沉积道的成形，当达到最后一道时，(对于同一台阶的电熔头601而言)一道起点要搭接良好，以至完成第一层的电熔沉积；在此过程中，在中央控制装置的控制下，先完成一层堆积的电熔头601停止在左右方向移动，等待其他电熔头601完成一层堆积(在其他层的堆积时也是如此)。
(6)当完成第一层的电熔沉积后，所有电熔头601自动提升一层沉积厚度(即层后)之高度，第一层电熔头601的结束点即为第二层第一道的开始点，重复(1)-(4)的操作完成第二层的堆积；
(7)重复(6)的操作沿CAD切片轨迹完成需要层数堆积，使工件初步成为一个轴体；
(8)对图示工件形状(轴体上的突起)，中央控制装置按照CAD切片轨迹，确定后续参与堆积电熔头，并控制各电熔头601重新排布和定位；
(9)按照转子构件的CAD切片轨迹操作,并适时控制特定电熔头工作与停止,对工作电熔头按照(1)至步骤(7)，完成其它电熔沉积层，最终连续电熔沉积形成整个转子钢构件(毛坯)。
电熔成形后，机加工去除基材201即获得所需低压转子材料。
采用本实施例，电熔制得的材料C含量0.04-0.10％，晶粒度7-10级，
采用本实施例，由于是多个电熔头601并排排布成形，因而，能够提高成形效率。
Claims (6)
1.一种超超临界高中压转子电熔成形方法，其特征在于:
该方法是采用电弧热、电阻热、电渣热复合而成的高能热源，熔化连续输送的金属原料丝材，在基材上逐层凝固堆积成形制造转子构件；
将电熔头与基材接至电源两极，成形时金属原料丝材经由输送机构和电熔头送至基材表面，在颗粒状辅料的堆积保护下，原料丝材与基材间产生电弧，熔化部分堆敷辅料形成熔融渣池，电流流过原料丝材和熔融辅料渣池形成电阻热和电渣热，在电弧热、电阻热、电渣热三种热复合高能热源作用下使原料丝材熔化，在基材表面形成局部熔池，持续输送原料丝材与辅料，根据成形构件的分层切片数据，采用计算机控制电熔头与基材的相对移动，实现熔池在基材上快速冷却逐层凝固堆积，最终逐层堆积成形转子构件，
汽轮机高中压转子的材料为12Cr系汽轮机高中压转子钢，电熔制备所用金属原料丝材C含量0.08-0.15％，电熔制得的材料C含量0.04-0.10％，晶粒度7-10级。
2.根据权利要求1所述的超超临界高中压转子电熔成形方法，其特征在于:
原料丝材按照转子材料要求制备,原料丝材直径2-5mm。
3.根据权利要求1所述的超超临界高中压转子电熔成形方法，其特征在于:
根据丝材直径不同，电源参数中的电流为200A～1500A，电压为20V～40V，电源是直流或交流电源，在使用直流电源时，电熔头接正极或负极。
4.根据权利要求1所述的超超临界高中压转子电熔成形方法，其特征在于:
根据成形工件要求，对基材或堆积金属进行加热或冷却，控制基材或堆积金属层的表面温度为100～400℃。
5.根据权利要求1所述的超超临界高中压转子电熔成形方法，其特征在于:
根据转子钢尺寸和效率要求，电熔头的数量设定为1～100个，多电熔头排布时，相邻电熔头间距为50～500mm。
6.根据权利要求1所述的超超临界高中压转子电熔成形方法，其特征在于:
所述基材为钢管或钢棒，外径100-300mm，长度与转子长度一致，用于为转子工件提供工装支撑，并在工件成形后机加工去除，基材为钢管时，管壁壁厚不小于10mm。
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