CN106086699A - 一种大型透平机械叶片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大型透平机械叶片及其制备方法;所述叶片的化学成分及其质量百分比为:C0.10%~0.16%,Si≤0.60%,Mn≤0.60%,S≤0.020%,P≤0.030%,Cr10.50%~12.00%,Ni2.00%~2.40%,W1.50%~2.00%,V0.18%~0.30%,Mo0.35%~0.50%,Nb0.15%~0.35%,其余为Fe;所述叶片的制备方法包括感应电磁炉冶炼、钢包炉精炼、叶片精密连铸等步骤。本发明使得叶片的力学性能大幅度提高,降低了叶片的维修费用,延长了使用寿命。

Description

一种大型透平机械叶片及其制备方法
技术领域
本发明涉及透平机械设备技术领域,特别涉及一种大型透平机械叶片及其制备方法。
背景技术
大型透平机械是我国冶金、石化、建材等重能耗行业实现节能减排的关键装置,其中的叶片是核心部件。透平机械设备对于能源的充分利用具有十分重大的意义,一直是我国重点研制与改良的重大设备之一。该设备能充分地利用能源,不消耗煤气,也不需要任何燃料,投运后就可取得节能、经济和社会等多方面的效益。因此,在大力提倡节能减排的当今社会,透平机械设备具有非常广阔的市场前景。
但是,由于透平机械工作环境恶劣,特别是作为核心部件的叶片,其运行环境温度较高,运行过程中承受的应力极大,且长期受到工艺环境中粉尘颗粒的冲蚀以及高温水蒸气的浸蚀作用,使得叶片的使用寿命短、消耗量大、更换频繁,并已成为目前制约我国大型透平机械设备正常运行的瓶颈之一。
工作中,叶片直接与空气中的腐蚀性气体及粉尘颗粒接触,因此要求其工作面应具有良好的强度、耐蚀性、耐磨性等,以提高其使用寿命。目前在实际生产中,多应用2Cr13马氏体型不锈钢作为叶片材料,该钢在工作温度不太高时具有良好的强度、热稳定性和减震性,但是这种材料在耐蚀性和耐磨性方面明显不足,无法满足大型透平机械叶片苛刻的使用条件和恶劣的运行环境要求。
为此,成都成发科能动力工程有限公司所用叶片材料为总体性能均更优的1Cr11Ni2W2MoV,该材料具有良好的综合力学性能,在航空工业中已被广泛用于制造600度以下工作的盘、轴等重要零部件。但是,由于叶片长时间在腐蚀性介质下工作,该材质仍然会受到一定程度的腐蚀,其使用寿命仍需提高。
发明内容
本发明的发明目的在于:针对现有技术存在的问题,提供一种大型透平机械叶片及其制备方法,大幅度提高叶片的力学性能,可明显增加其使用寿命。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种大型透平机械叶片,所述叶片的化学成分及其质量百分比为:C0.10%~0.16%,Si≤0.60%,Mn≤0.60%,S≤0.020%,P≤0.030%,Cr10.50%~12.00%,Ni2.00%~2.40%,W1.50%~2.00%,V0.18%~0.30%,Mo0.35%~0.50%,Nb0.15%~0.35%,其余为Fe。
一种大型透平机械叶片的制备方法,包括以下步骤:
(1)感应电磁炉冶炼:在感应电磁炉中冶炼,进行组分初步调节,得到铁水的化学成分及其质量百分比为:C0.08%~0.10%,Si≤0.60%,Mn≤0.80%,S≤0.045%,P≤0.045%,Cr≤10%,Ni1.40%~2.30%,W1.20%~1.70%,V0.08%~0.20%,Mo0.23%~0.40%,其余为Fe;
(2)钢包炉精炼:将步骤(1)得到的铁水在钢包炉中脱S、脱O、脱P及加入合金元素,成分微调,得到铁水的化学成分及其质量百分比为:C0.10%~0.16%,Si≤0.60%,Mn≤0.60%,S≤0.020%,P≤0.030%,Cr10.50%~12.00%,Ni2.00%~2.40%,W1.50%~2.00%,V0.18%~0.30%,Mo0.35%~0.50%,Nb0.15%~0.35%,其余为Fe;
(3)叶片精密连铸:将步骤(2)得到的铁水倒入叶片模型型壳内进行浇注,铁水的出炉温度为1680~1700℃,浇注温度为1580~1600℃,叶片模型型壳温度为500~580℃;浇注后,将制成的叶片自然冷却至室温,去除浇注系统后得到叶片。
所述叶片模型型壳的制作方法为:首先用低温蜡基模料制成叶片模型,然后在叶片模型上先涂抹2~4层硅溶胶,再涂3~5层水玻璃并蒸汽脱蜡后,得到叶片模型型壳,然后焙烧叶片模型型壳,焙烧温度为800~1000℃,保温时间为40分钟。
本发明的有益效果在于:
原叶片的使用材料为1Cr11Ni2W2MoV,该材质的力学性能通常为抗拉强度σb≥885Mpa、屈服强度σ0.2≥735Mpa、伸长率δ5≥15%、断面收缩率ψ≥55%、冲击功αk≥70J。
本发明在原叶片材料1Cr11Ni2W2MoV的基础上进行微合金化处理,通过添加质量百分比为0.15%~0.35%的金属元素铌,添加质量百分比为0.4%~0.8%的金属元素镍,使得叶片的力学性能达到抗拉强度σb≥1178Mpa、屈服强度σ0.2≥1033Mpa、伸长率δ5≥16%、断面收缩率ψ≥74%、冲击功αk≥79J,其力学性能大幅度提高,使叶片的使用周期由以前的3年一换变成3.5年左右一换,降低了叶片的维修费用,延长了使用寿命。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。
以下实施例中使用的叶片模型型壳的制作方法为:首先用低温蜡基模料制成叶片模型,然后在叶片模型上先涂抹2~4层硅溶胶,再涂3~5层水玻璃并蒸汽脱蜡后,得到叶片模型型壳,然后焙烧叶片模型型壳,焙烧温度为800~1000℃,保温时间为40分钟。
实施例1
一种大型透平机械叶片的制备方法,包括以下步骤:
(1)感应电磁炉冶炼:在感应电磁炉中冶炼,进行组分初步调节,得到铁水的化学成分及其质量百分比为:C0.09%,Si0.22%,Mn0.61%,S0.030%,P0.035%,Cr8.50%,Ni1.70%,W1.50%,V0.18%,Mo0.31%,其余为Fe;
(2)钢包炉精炼:将步骤(1)得到的铁水在钢包炉中脱S、脱O、脱P及加入合金元素,成分微调,得到铁水的化学成分及其质量百分比为:C0.13%,Si0.22%,Mn0.52%,S0.010%,P0.020%,Cr11.60%,Ni2.00%,W1.75%,V0.23%,Mo0.38%,Nb0.15%,其余为Fe;
(3)叶片精密连铸:将步骤(2)得到的铁水倒入叶片模型型壳内进行浇注,铁水的出炉温度为1680~1700℃,浇注温度为1580~1600℃,叶片模型型壳温度为500~580℃;浇注后,将制成的叶片自然冷却至室温,去除浇注系统后得到叶片。
本实施例的叶片的化学成分相当于在原叶片材料1Cr11Ni2W2MoV的基础上添加质量百分比为0.15%的金属元素铌和0.4%的金属元素镍。
经性能检验,本实施例的叶片的力学性能为σb=1200Mpa、σ0.2=1053Mpa、δ5=16%、ψ=75%、αk=83J,耐磨性提高35%。
实施例2
一种大型透平机械叶片的制备方法,包括以下步骤:
(1)感应电磁炉冶炼:在感应电磁炉中冶炼,进行组分初步调节,得到铁水的化学成分及其质量百分比为:C0.08%,Si0.35%,Mn0.54%,S0.025%,P0.028%,Cr7.90%,Ni1.60%,W1.54%,V0.12%,Mo0.33%,其余为Fe;
(2)钢包炉精炼:将步骤(1)得到的铁水在钢包炉中脱S、脱O、脱P及加入合金元素,成分微调,得到铁水的化学成分及其质量百分比为:C0.12%,Si0.33%,Mn0.41%,S0.015%,P0.019%,Cr10.50%,Ni2.10%,W1.78%,V0.19%,Mo0.38%,Nb0.25%,其余为Fe;
(3)叶片精密连铸:将步骤(2)得到的铁水倒入叶片模型型壳内进行浇注,铁水的出炉温度为1680~1700℃,浇注温度为1580~1600℃,叶片模型型壳温度为500~580℃;浇注后,将制成的叶片自然冷却至室温,去除浇注系统后得到叶片。
本实施例的叶片的化学成分相当于在原叶片材料1Cr11Ni2W2MoV的基础上添加质量百分比为0.25%的金属元素铌和0.5%的金属元素镍。
经性能检验,本实施例的叶片的力学性能为σb=1250Mpa、σ0.2=1068Mpa、δ5=17%、ψ=76%、αk=85J,耐磨性提高40%。
实施例3
一种大型透平机械叶片的制备方法,包括以下步骤:
(1)感应电磁炉冶炼:在感应电磁炉中冶炼,进行组分初步调节,得到铁水的化学成分及其质量百分比为:C0.09%,Si0.44%,Mn0.45%,S0.036%,P0.035%,Cr8.70%,Ni1.80%,W1.58%,V0.15%,Mo0.37%,其余为Fe;
(2)钢包炉精炼:将步骤(1)得到的铁水在钢包炉中脱S、脱O、脱P及加入合金元素,成分微调,得到铁水的化学成分及其质量百分比为:C0.13%,Si0.41%,Mn0.35%,S0.005%,P0.015%,Cr11.10%,Ni2.20%,W1.87%,V0.19%,Mo0.44%,Nb0.25%,其余为Fe;
(3)叶片精密连铸:将步骤(2)得到的铁水倒入叶片模型型壳内进行浇注,铁水的出炉温度为1680~1700℃,浇注温度为1580~1600℃,叶片模型型壳温度为500~580℃;浇注后,将制成的叶片自然冷却至室温,去除浇注系统后得到叶片。
本实施例的叶片的化学成分相当于在原叶片材料1Cr11Ni2W2MoV的基础上添加质量百分比为0.25%的金属元素铌和0.6%的金属元素镍。
经性能检验,本实施例的叶片的力学性能为σb=1260Mpa、σ0.2=1070Mpa、δ5=17%、ψ=76%、αk=85J,耐磨性提高45%。
实施例4
一种大型透平机械叶片的制备方法,包括以下步骤:
(1)感应电磁炉冶炼:在感应电磁炉中冶炼,进行组分初步调节,得到铁水的化学成分及其质量百分比为:C0.10%,Si0.34%,Mn0.61%,S0.031%,P0.028%,Cr9.50%,Ni1.50%,W1.37%,V0.11%,Mo0.26%,其余为Fe;
(2)钢包炉精炼:将步骤(1)得到的铁水在钢包炉中脱S、脱O、脱P及加入合金元素,成分微调,得到铁水的化学成分及其质量百分比为:C0.16%,Si0.25%,Mn0.58%,S0.012%,P0.015%,Cr10.80%,Ni2.40%,W1.57%,V0.28%,Mo0.49%,Nb0.35%,其余为Fe;
(3)叶片精密连铸:将步骤(2)得到的铁水倒入叶片模型型壳内进行浇注,铁水的出炉温度为1680~1700℃,浇注温度为1580~1600℃,叶片模型型壳温度为500~580℃;浇注后,将制成的叶片自然冷却至室温,去除浇注系统后得到叶片。
本实施例的叶片的化学成分相当于在原叶片材料1Cr11Ni2W2MoV的基础上添加质量百分比为0.35%的金属元素铌和0.8%的金属元素镍。
经性能检验,本实施例的叶片的力学性能为σb=1300Mpa、σ0.2=1150Mpa、δ5=19%、ψ=78%、αk=90J,耐磨性提高55%。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述,但本领域的普通技术人员应当理解,可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变,而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (3)

1.一种大型透平机械叶片,其特征在于:所述叶片的化学成分及其质量百分比为:C0.10%~0.16%,Si≤0.60%,Mn≤0.60%,S≤0.020%,P≤0.030%,Cr10.50%~12.00%,Ni2.00%~2.40%,W1.50%~2.00%,V0.18%~0.30%,Mo0.35%~0.50%,Nb0.15%~0.35%,其余为Fe。
2.权利要求1所述的大型透平机械叶片的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)感应电磁炉冶炼:在感应电磁炉中冶炼,进行组分初步调节,得到铁水的化学成分及其质量百分比为:C0.08%~0.10%,Si≤0.60%,Mn≤0.80%,S≤0.045%,P≤0.045%,Cr≤10%,Ni1.40%~2.30%,W1.20%~1.70%,V0.08%~0.20%,Mo0.23%~0.40%,其余为Fe;
(2)钢包炉精炼:将步骤(1)得到的铁水在钢包炉中脱S、脱O、脱P及加入合金元素,成分微调,得到铁水的化学成分及其质量百分比为:C0.10%~0.16%,Si≤0.60%,Mn≤0.60%,S≤0.020%,P≤0.030%,Cr10.50%~12.00%,Ni2.00%~2.40%,W1.50%~2.00%,V0.18%~0.30%,Mo0.35%~0.50%,Nb0.15%~0.35%,其余为Fe;
(3)叶片精密连铸:将步骤(2)得到的铁水倒入叶片模型型壳内进行浇注,铁水的出炉温度为1680~1700℃,浇注温度为1580~1600℃,叶片模型型壳温度为500~580℃;浇注后,将制成的叶片自然冷却至室温,去除浇注系统后得到叶片。
3.根据权利要求2所述的大型透平机械叶片的制备方法,其特征在于:所述叶片模型型壳的制作方法为:首先用低温蜡基模料制成叶片模型,然后在叶片模型上先涂抹2~4层硅溶胶,再涂3~5层水玻璃并蒸汽脱蜡后,得到叶片模型型壳,然后焙烧叶片模型型壳,焙烧温度为800~1000℃,保温时间为40分钟。
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