CN105239021B - 一种耐高压汽轮机叶片及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明是一种耐高压汽轮机叶片，其化学成分为：C：0.019‑0.021%，Si：0.09‑0.11%，Mn：0.83‑0.85%，Ni：0.55‑0.57%，Cr:1.7‑1.9%，Mo:0.11‑0.13%，Co:3.9‑4.1%，V：4.26‑4.28%，Nb：0.01‑0.03%，Cu:0.03‑0.05%，Al:6.21‑6.23%，N：0.007‑0.009%，Ti：0.23‑0.25%，稀土金属：0.08‑0.10%，余量为Fe；本发明还包括一种耐高压汽轮机叶片的生产工艺；本发明产品可大幅度提高叶片的冲击韧度，可提高叶片的抗水蚀能力及抗腐蚀性能，提高叶片的使用寿命。

Description

一种耐高压汽轮机叶片及其生产工艺

技术领域

本发明涉及一种汽轮机叶片及其生产工艺，具体的说是一种耐高压汽轮机叶片及其生产工艺及。

背景技术

汽轮机是将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械，又称蒸汽透平。主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等，还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽，满足生产和生活上的供热需要。汽轮机主要应用于电力工业、船舶工业、水泥、化工、石油、冶金、重型机械等领域。

汽轮机是一种旋转式的流体动力机械，它直接起着将蒸汽或燃气的热能转变为机械能的作用，而叶片是汽轮机的“心脏”，是汽轮机中极为主要的零件。汽轮机中的叶片不仅数量多，而且形状复杂，加工要求严格。叶片的加工工作量很大，约占汽轮机、燃气轮机总加工量的四分之一到三分之一。叶片的加工质量直接影响到机组的运行效率和可靠行，而叶片的质量和寿命与叶片的加工方式有着密切的关系。所以，叶片的加工方式对汽轮机的工作质量及生产经济性有很大的影响。随着科学技术的发展，叶片的加工手段也是日新月异，先进的加工技术正在广泛采用。要满足不断提高的使用性能需求仅仅依靠新型叶片材料的应用仍然很难满足，必须将各种热处理技术应用到汽轮机叶片的制造当中才能达到对叶片具高效率、高精度和高寿命的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何使叶片硬度不会过高或过低；如何使使叶片的合金元素偏析现象明显减弱，大幅度提高叶片的冲击韧度；如何使机械加工后叶片的内应力完全释放，避免后序高温调质热处理产生变形或裂纹，从而提高其耐高温和耐高压性能；如何提高叶片的抗水蚀能力及抗腐蚀性能，从而提高叶片的使用寿命。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：

一种耐高压汽轮机叶片，其化学成分的质量百分比为：C：0.019-0.021％，Si：0.09-0.11％，Mn：0.83-0.85％，Ni：0.55-0.57％，Cr:1.7-1.9％，Mo:0.11-0.13％，Co:3.9-4.1％，V：4.26-4.28％，Nb：0.01-0.03％，Cu:0.03-0.05％，Al:6.21-6.23％，N：0.007-0.009％，Ti：0.23-0.25％，稀土金属：0.08-0.10％，余量为Fe。

上述耐高压汽轮机叶片及其生产工艺的生产工艺，按以下工序进行：热锻-退火-回火-叶片机械加工-去应力热处理-调质热处理-冷却-表面强化热处理-理化检验-超声波探伤-清洁包装；其中：

所述退火工序：热锻后，在765-767℃保温14-16分钟，然后炉冷至258-260℃后保温8-10分钟，最后冷却至室温；

所述回火工序：回火温度703-705℃，到温后保温13-15min，然后空冷至室温；

所述去应力热处理工序：加热温度为613-615℃，到温后保温37-39min，然后空冷至室温；

所述调质热处理工序：采用一次正火+一次回火，正火：温度711-713℃，到温后保温9-11min；回火：采用分段加热，第一段加热温度为875-877℃，到温后保温4-6min，第二段加热温度为793-795℃，到温后保温14-16min，然后空冷至室温；

所述冷却工序：采用水冷-空冷-油冷的顺序进行冷却，先采用水冷以6-8℃/s的冷却速率将叶片水冷至493-495℃，然后空冷至405-407℃，再采用油冷以4-6℃/s的冷却速率将叶片油冷至室温；

所述表面强化热处理工序：热处理温度975-977℃，到温后保温7-9分钟，然后采用2-4℃/s的冷却速率将叶片油冷至室温。

本发明进一步限定的技术方案是：

前述的耐高压汽轮机叶片，其稀土金属的化学成分质量百分比为：铈：1-3％，钕：9-11％，钷：4-6％，钆：5-7％，镥：2-4％，镝：6-8％，镧：9-11％，余量为铒。

前述的耐高压汽轮机叶片，其化学成分的质量百分比为：C：0.019％，Si：0.09％，Mn：0.83％，Ni：0.55％，Cr:1.7％，Mo:0.11％，Co:3.9％，V：4.26％，Nb：0.01％，Cu:0.03％，Al:6.21％，N：0.007％，Ti：0.23％，稀土金属：0.08％，余量为Fe；稀土金属的化学成分质量百分比为：铈：1％，钕：11％，钷：4％，钆：7％，镥：2％，镝：8％，镧：9％，余量为铒。

前述的耐高压汽轮机叶片，其化学成分的质量百分比为：C：0.021％，Si：0.11％，Mn：0.85％，Ni：0.57％，Cr:1.9％，Mo:0.13％，Co:4.1％，V：4.28％，Nb：0.03％，Cu:0.05％，Al:6.23％，N：0.009％，Ti：0.25％，稀土金属：0.10％，余量为Fe；稀土金属的化学成分质量百分比为：铈：3％，钕：9％，钷：6％，钆：5％，镥：4％，镝：6％，镧：11％，余量为铒。

前述的耐高压汽轮机叶片，其化学成分的质量百分比为：C：0.020％，Si：0.10％，Mn：0.84％，Ni：0.56％，Cr:1.8％，Mo:0.12％，Co:4.0％，V：4.27％，Nb：0.02％，Cu:0.04％，Al:6.22％，N：0.008％，Ti：0.24％，稀土金属：0.09％，余量为Fe；稀土金属的化学成分质量百分比为：铈：2％，钕：10％，钷：5％，钆：6％，镥：3％，镝：7％，镧：10％，余量为铒。

前述的耐高压汽轮机叶片的生产工艺，其中：

所述退火工序：热锻后，在765℃保温16分钟，然后炉冷至258℃后保温10分钟，最后冷却至室温；

所述回火工序：回火温度703℃，到温后保温15min，然后空冷至室温；

所述去应力热处理工序：加热温度为613℃，到温后保温39min，然后空冷至室温；

所述调质热处理工序：采用一次正火+一次回火，正火：温度711℃，到温后保温11min；回火：采用分段加热，第一段加热温度为875℃，到温后保温6min，第二段加热温度为793℃，到温后保温16min，然后空冷至室温；

所述冷却工序：采用水冷-空冷-油冷的顺序进行冷却，先采用水冷以8℃/s的冷却速率将叶片水冷至493℃，然后空冷至405℃，再采用油冷以6℃/s的冷却速率将叶片油冷至室温；

所述表面强化热处理工序：热处理温度975℃，到温后保温9分钟，然后采用4℃/s的冷却速率将叶片油冷至室温。

前述的耐高压汽轮机叶片的生产工艺，其中：

所述退火工序：热锻后，在767℃保温14分钟，然后炉冷至260℃后保温8分钟，最后冷却至室温；

所述回火工序：回火温度705℃，到温后保温13min，然后空冷至室温；

所述去应力热处理工序：加热温度为615℃，到温后保温37min，然后空冷至室温；

所述调质热处理工序：采用一次正火+一次回火，正火：温度713℃，到温后保温9min；回火：采用分段加热，第一段加热温度为877℃，到温后保温4min，第二段加热温度为795℃，到温后保温14min，然后空冷至室温；

所述冷却工序：采用水冷-空冷-油冷的顺序进行冷却，先采用水冷以6℃/s的冷却速率将叶片水冷至495℃，然后空冷至407℃，再采用油冷以4℃/s的冷却速率将叶片油冷至室温；

所述表面强化热处理工序：热处理温度977℃，到温后保温7分钟，然后采用2℃/s的冷却速率将叶片油冷至室温。

前述的耐高压汽轮机叶片的生产工艺，其中：

所述退火工序：热锻后，在766℃保温15分钟，然后炉冷至259℃后保温9分钟，最后冷却至室温；

所述回火工序：回火温度704℃，到温后保温14min，然后空冷至室温；

所述去应力热处理工序：加热温度为614℃，到温后保温38min，然后空冷至室温；

所述调质热处理工序：采用一次正火+一次回火，正火：温度712℃，到温后保温10min；回火：采用分段加热，第一段加热温度为876℃，到温后保温5min，第二段加热温度为794℃，到温后保温15min，然后空冷至室温；

所述冷却工序：采用水冷-空冷-油冷的顺序进行冷却，先采用水冷以7℃/s的冷却速率将叶片水冷至494℃，然后空冷至406℃，再采用油冷以5℃/s的冷却速率将叶片油冷至室温；

所述表面强化热处理工序：热处理温度976℃，到温后保温8分钟，然后采用3℃/s的冷却速率将叶片油冷至室温。

本发明的优点是：

本发明的成分中由于Cr的含量(1.7-1.9％)较高，铬元素会导致碳及合金元素的严重偏析，叶片会出现共晶碳化物，从而降低叶片的冲击韧度；本发明通过加入0.08-0.10％稀土金属，可有效减弱叶片的合金元素偏析现象，可大幅度提高叶片的冲击韧度。

本发明的退火工序在热锻后不立即冷却，而是在765-767℃保温14-16分钟，然后炉冷至258-260℃后保温8-10分钟，最后冷却至室温；这样使奥氏体在这个温度下进行等温转变，形成珠光体，奥氏体能在较短时间内完成球光体转变，避免形成马氏体，导致钢变硬，从而使叶片硬度达到理想效果，不至于硬度过高或过低；另外，通过两次保温后冷却，等浊转变形成的球光体组织比较均匀，避免形成不完全相同的组织，可防止叶片早期脆性开裂，起到了意想不到的技术效果。

本发明的叶片由于合金元素的作用，碳及合金元素的严重偏析，叶片会出现共晶碳化物，从而降低叶片的冲击韧度；本发明通过一次回火及温度控制，从而使叶片的合金元素偏析现象明显减弱，可大幅度提高叶片的冲击韧度。

本发明的叶片由于在机械加工过程中，由于刀具挤压、切削热等影响，使其内部组织发生不均匀的体积变化，产生内应力，内应力的存在，使内部组织处于一种极不稳定的状态，有着强烈恢复到无应力状态的倾向，在内应力不断释放的过程中，汽轮机叶片的形状发生改变，原有的加工精度逐渐丧失，对机械加工后内应力没有完全释放的汽轮机叶片在随后的淬火处理时会发生更大的变形或淬火裂纹；本发明在机械加工过程后进行去应力退火处理，从而使机械加工后叶片的内应力完全释放，避免后序高温调质热处理产生变形或裂纹。

回火处理使叶片厚度方向组织细小均匀；正火后回火进一步减小表面和心部的温度之差，从而使表面至心部性能趋于一致；回火后冷却，通过水冷、空冷与油冷结合的方法，先以较快的冷却速度水冷，然后进行空冷，最后再通过较慢的油冷冷却至室温，不仅可提高叶片的抗水蚀能力，而且可以使组织更为均匀稳定，极少出现气孔及沙眼，保证了叶片的抗腐蚀性能，起到了意想不到的技术效果。

本发明通过表面强化热处理可以细化晶粒，同时提高叶片的韧性，可以减轻或消除带状组织等缺陷，提高叶片整体冲击性能，且通过冷却速度的快慢控制，而且使叶片组织更为均匀稳定，极少出现气孔及沙眼，且获得较好的综合力学性能和抗腐蚀性能。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种耐高压汽轮机叶片，其化学成分的质量百分比为：C：0.019％，Si：0.09％，Mn：0.83％，Ni：0.55％，Cr:1.7％，Mo:0.11％，Co:3.9％，V：4.26％，Nb：0.01％，Cu:0.03％，Al:6.21％，N：0.007％，Ti：0.23％，稀土金属：0.08％，余量为Fe；稀土金属的化学成分质量百分比为：铈：1％，钕：11％，钷：4％，钆：7％，镥：2％，镝：8％，镧：9％，余量为铒。

本实施例的耐高压汽轮机叶片的生产工艺，其中：

所述退火工序：热锻后，在765℃保温16分钟，然后炉冷至258℃后保温10分钟，最后冷却至室温；

所述回火工序：回火温度703℃，到温后保温15min，然后空冷至室温；

所述去应力热处理工序：加热温度为613℃，到温后保温39min，然后空冷至室温；

所述调质热处理工序：采用一次正火+一次回火，正火：温度711℃，到温后保温11min；回火：采用分段加热，第一段加热温度为875℃，到温后保温6min，第二段加热温度为793℃，到温后保温16min，然后空冷至室温；

所述冷却工序：采用水冷-空冷-油冷的顺序进行冷却，先采用水冷以8℃/s的冷却速率将叶片水冷至493℃，然后空冷至405℃，再采用油冷以6℃/s的冷却速率将叶片油冷至室温；

所述表面强化热处理工序：热处理温度975℃，到温后保温9分钟，然后采用4℃/s的冷却速率将叶片油冷至室温。

本发明汽轮机叶片的主要性能如下表所示：

表1：

以上工序中：锻造、叶片机械加工、理化检验、超声波探伤和清洁包装都使用现有常用工艺。

实施例2

本实施例提供一种耐高压汽轮机叶片，其化学成分的质量百分比为：C：0.021％，Si：0.11％，Mn：0.85％，Ni：0.57％，Cr:1.9％，Mo:0.13％，Co:4.1％，V：4.28％，Nb：0.03％，Cu:0.05％，Al:6.23％，N：0.009％，Ti：0.25％，稀土金属：0.10％，余量为Fe；稀土金属的化学成分质量百分比为：铈：3％，钕：9％，钷：6％，钆：5％，镥：4％，镝：6％，镧：11％，余量为铒。

本实施例的耐高压汽轮机叶片的生产工艺，其中：

所述退火工序：热锻后，在767℃保温14分钟，然后炉冷至260℃后保温8分钟，最后冷却至室温；

所述回火工序：回火温度705℃，到温后保温13min，然后空冷至室温；

所述去应力热处理工序：加热温度为615℃，到温后保温37min，然后空冷至室温；

所述调质热处理工序：采用一次正火+一次回火，正火：温度713℃，到温后保温9min；回火：采用分段加热，第一段加热温度为877℃，到温后保温4min，第二段加热温度为795℃，到温后保温14min，然后空冷至室温；

所述冷却工序：采用水冷-空冷-油冷的顺序进行冷却，先采用水冷以6℃/s的冷却速率将叶片水冷至495℃，然后空冷至407℃，再采用油冷以4℃/s的冷却速率将叶片油冷至室温；

所述表面强化热处理工序：热处理温度977℃，到温后保温7分钟，然后采用2℃/s的冷却速率将叶片油冷至室温。

本发明汽轮机叶片的主要性能如下表所示：

表2：

以上工序中：锻造、叶片机械加工、理化检验、超声波探伤和清洁包装都使用现有常用工艺。

实施例3

本实施例提供一种耐高压汽轮机叶片，其化学成分的质量百分比为：C：0.020％，Si：0.10％，Mn：0.84％，Ni：0.56％，Cr:1.8％，Mo:0.12％，Co:4.0％，V：4.27％，Nb：0.02％，Cu:0.04％，Al:6.22％，N：0.008％，Ti：0.24％，稀土金属：0.09％，余量为Fe；稀土金属的化学成分质量百分比为：铈：2％，钕：10％，钷：5％，钆：6％，镥：3％，镝：7％，镧：10％，余量为铒。

本实施例的耐高压汽轮机叶片的生产工艺，其中：

所述退火工序：热锻后，在766℃保温15分钟，然后炉冷至259℃后保温9分钟，最后冷却至室温；

所述回火工序：回火温度704℃，到温后保温14min，然后空冷至室温；

所述去应力热处理工序：加热温度为614℃，到温后保温38min，然后空冷至室温；

所述调质热处理工序：采用一次正火+一次回火，正火：温度712℃，到温后保温10min；回火：采用分段加热，第一段加热温度为876℃，到温后保温5min，第二段加热温度为794℃，到温后保温15min，然后空冷至室温；

所述冷却工序：采用水冷-空冷-油冷的顺序进行冷却，先采用水冷以7℃/s的冷却速率将叶片水冷至494℃，然后空冷至406℃，再采用油冷以5℃/s的冷却速率将叶片油冷至室温；

所述表面强化热处理工序：热处理温度976℃，到温后保温8分钟，然后采用3℃/s的冷却速率将叶片油冷至室温。

本发明汽轮机叶片的主要性能如下表所示：

表3：

以上工序中：锻造、叶片机械加工、理化检验、超声波探伤和清洁包装都使用现有常用工艺。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种耐高压汽轮机叶片的生产工艺，其化学成分的质量百分比为：C：0.019-0.021％，Si：0.09-0.11％，Mn：0.83-0.85％，Ni：0.55-0.57％，Cr:1.7-1.9％，Mo:0.11-0.13％，Co:3.9-4.1％，V：4.26-4.28％，Nb：0.01-0.03％，Cu:0.03-0.05％，Al:6.21-6.23％，N：0.007-0.009％，Ti：0.23-0.25％，稀土金属：0.08-0.10％，余量为Fe；所述稀土金属的化学成分质量百分比为：铈：1-3％，钕：9-11％，钷：4-6％，钆：5-7％，镥：2-4％，镝：6-8％，镧：9-11％，余量为铒；

按以下工序进行：热锻-退火-回火-叶片机械加工-去应力热处理-调质热处理-冷却-表面强化热处理-理化检验-超声波探伤-清洁包装；其特征在于：

所述退火工序：热锻后，在765-767℃保温14-16分钟，然后炉冷至258-260℃后保温8-10分钟，最后冷却至室温；

所述回火工序：回火温度703-705℃，到温后保温13-15min，然后空冷至室温；

所述去应力热处理工序：加热温度为613-615℃，到温后保温37-39min，然后空冷至室温；

所述调质热处理工序：采用一次正火+一次回火，正火：温度711-713℃，到温后保温9-11min；回火：采用分段加热，第一段加热温度为875-877℃，到温后保温4-6min，第二段加热温度为793-795℃，到温后保温14-16min，然后空冷至室温；

所述冷却工序：采用水冷-空冷-油冷的顺序进行冷却，先采用水冷以6-8℃/s的冷却速率将叶片水冷至493-495℃，然后空冷至405-407℃，再采用油冷以4-6℃/s的冷却速率将叶片油冷至室温；

所述表面强化热处理工序：热处理温度975-977℃，到温后保温7-9分钟，然后采用2-4℃/s的冷却速率将叶片油冷至室温。

2.如权利要求1所述的耐高压汽轮机叶片的生产工艺，其化学成分的质量百分比为：C：0.019％，Si：0.09％，Mn：0.83％，Ni：0.55％，Cr:1.7％，Mo:0.11％，Co:3.9％，V：4.26％，Nb：0.01％，Cu:0.03％，Al:6.21％，N：0.007％，Ti：0.23％，稀土金属：0.08％，余量为Fe；所述稀土金属的化学成分质量百分比为：铈：1％，钕：11％，钷：4％，钆：7％，镥：2％，镝：8％，镧：9％，余量为铒；

所述退火工序：热锻后，在765℃保温16分钟，然后炉冷至258℃后保温10分钟，最后 冷却至室温；

所述回火工序：回火温度703℃，到温后保温15min，然后空冷至室温；

所述去应力热处理工序：加热温度为613℃，到温后保温39min，然后空冷至室温；

所述调质热处理工序：采用一次正火+一次回火，正火：温度711℃，到温后保温11min；回火：采用分段加热，第一段加热温度为875℃，到温后保温6min，第二段加热温度为793℃，到温后保温16min，然后空冷至室温；

所述冷却工序：采用水冷-空冷-油冷的顺序进行冷却，先采用水冷以8℃/s的冷却速率将叶片水冷至493℃，然后空冷至405℃，再采用油冷以6℃/s的冷却速率将叶片油冷至室温；

所述表面强化热处理工序：热处理温度975℃，到温后保温9分钟，然后采用4℃/s的冷却速率将叶片油冷至室温。

3.如权利要求1所述的耐高压汽轮机叶片的生产工艺，其化学成分的质量百分比为：C：0.021％，Si：0.11％，Mn：0.85％，Ni：0.57％，Cr:1.9％，Mo:0.13％，Co:4.1％，V：4.28％，Nb：0.03％，Cu:0.05％，Al:6.23％，N：0.009％，Ti：0.25％，稀土金属：0.10％，余量为Fe；所述稀土金属的化学成分质量百分比为：铈：3％，钕：9％，钷：6％，钆：5％，镥：4％，镝：6％，镧：11％，余量为铒；

所述退火工序：热锻后，在767℃保温14分钟，然后炉冷至260℃后保温8分钟，最后冷却至室温；

所述回火工序：回火温度705℃，到温后保温13min，然后空冷至室温；

所述去应力热处理工序：加热温度为615℃，到温后保温37min，然后空冷至室温；

所述调质热处理工序：采用一次正火+一次回火，正火：温度713℃，到温后保温9min；回火：采用分段加热，第一段加热温度为877℃，到温后保温4min，第二段加热温度为795℃，到温后保温14min，然后空冷至室温；

所述冷却工序：采用水冷-空冷-油冷的顺序进行冷却，先采用水冷以6℃/s的冷却速率将叶片水冷至495℃，然后空冷至407℃，再采用油冷以4℃/s的冷却速率将叶片油冷至室温；

所述表面强化热处理工序：热处理温度977℃，到温后保温7分钟，然后采用2℃/s的冷却速率将叶片油冷至室温。

4.如权利要求1所述的耐高压汽轮机叶片的生产工艺，其化学成分的质量百分比为：C：0.020％，Si：0.10％，Mn：0.84％，Ni：0.56％，Cr:1.8％，Mo:0.12％，Co:4.0％，V：4.27％，Nb：0.02％，Cu:0.04％，Al:6.22％，N：0.008％，Ti：0.24％，稀土金属：0.09％，余量为Fe；所述稀土金属的化学成分质量百分比为：铈：2％，钕：10％，钷：5％，钆：6％，镥：3％，镝：7％，镧：10％，余量为铒；

所述退火工序：热锻后，在766℃保温15分钟，然后炉冷至259℃后保温9分钟，最后冷却至室温；

所述回火工序：回火温度704℃，到温后保温14min，然后空冷至室温；

所述去应力热处理工序：加热温度为614℃，到温后保温38min，然后空冷至室温；

所述调质热处理工序：采用一次正火+一次回火，正火：温度712℃，到温后保温10min；回火：采用分段加热，第一段加热温度为876℃，到温后保温5min，第二段加热温度为794℃，到温后保温15min，然后空冷至室温；

所述冷却工序：采用水冷-空冷-油冷的顺序进行冷却，先采用水冷以7℃/s的冷却速率将叶片水冷至494℃，然后空冷至406℃，再采用油冷以5℃/s的冷却速率将叶片油冷至室温；

所述表面强化热处理工序：热处理温度976℃，到温后保温8分钟，然后采用3℃/s的冷却速率将叶片油冷至室温。