CN109136472B - 一种高温汽轮机叶片及其生产方法 - Google Patents

一种高温汽轮机叶片及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温汽轮机叶片及其生产方法，由包含下列质量百分比的化学成分制成：C：0.05‑0.068％、Cr：19‑21％、Al:1.50‑1.65％、Ti:2.5‑2.6％、Ni为余量元素，所述各组分经过真空感应冶炼浇注成电极棒、经过电渣重熔后，进行高温均匀化处理，再经锻造而成。本发明优化了各制备组分的含量，在降低了原料组分中的C含量的前提下，通过电渣重熔处理，选择适宜的电渣重熔渣系，控制电渣重熔的参数，在减少偏析的同时能够有效控制结晶方向；通过均匀化处理步骤，使得合金内部的结晶组织得到改善，铸造应力得以消除，减少偏析，能够进一步提升组织的均匀性；采用十字锻造增大成品的锻造变形量。

Description

一种高温汽轮机叶片及其生产方法
技术领域
本发明涉及机械材料领域，尤其涉及一种高温汽轮机叶片及其生产方法。
背景技术
随着我国用电量的增加、新型舰船不断展现和我国汽轮机制造技术的发展，汽轮机大量用于发电站、船舶等领域，其工作温度和压力以及工作环境和运行安全对所用材料的要求相当严苛，当下尤其对生产成本、使用寿命提出了更高的要求。汽轮机是一种旋转式将蒸汽或燃气的热能转变为机械能的作用的流体动力机械，而叶片是汽轮机的最精密、最重要的关键零件之一。汽轮机叶片的工作环境复杂多变，它在极苛刻的条件下承受高温、高压、巨大的离心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蚀和振动以及湿蒸汽区水滴冲蚀的共同作用。
因此，汽轮机叶片在高温下的组织均匀性是其能否保持高稳定性和高性能的关键，而现有的叶片材料组织均匀性已不能满足汽轮机发展的使用要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种高温汽轮机叶片及生产方法，通过调配进料配方，改进生产方法，解决现有高温叶片钢的组织混晶及高温持久寿命低的技术问题，通过该方法制作的高温叶片，材料的组织均匀性有很大改善，能够有效的降低混晶程度同时提高持久寿命。
本发明采用的技术方案如下：
一种高温汽轮机叶片，由包含下列质量百分比的化学成分制成：C：0.05-0.068％、Cr：19-21％、Al:1.50-1.65％、Ti:2.5-2.6％、Ni为余量元素，所述各组分经过真空感应冶炼浇注成电极棒、经过电渣重熔后，进行高温均匀化处理。
高温汽轮机叶片制备所需的化学成分与其性能密切相关。其中，Cr能保证高温合金的高温抗氧化性能，Al起到细化晶粒的作用，提高钢的抗氧性，改善钢的电磁性能，Ti提高合金的高温持久强度，Ni在钢中不形成碳化物，其作为主要成分使钢具有高强度、高韧性和耐磨性。C作为脱氧剂能在真空冶炼中还原金属氧化物，而氧的存在对于叶片的性能有重要影响，因此控制适宜的C含量至关重要。当碳含量较低时，达不到脱氧要求；而碳含量较高时，会降低钢的韧性和耐蚀性能，还会导致坩埚的化学侵蚀加速，另外重要的是会导致最后形成的成品中形成较多的碳化物并且出现偏析的情况，对组织均匀性有重要影响。
优选地，所述高温汽轮机叶片，由包含下列质量百分比的化学成分制成：C：0.055-0.065％、Cr：19.5-20％、Al:1.55-1.6％、Ti:2.55-2.6％、Ni为余量元素。
本发明还包括一种高温汽轮机叶片的生产方法，包括以下步骤：
步骤A，按所述成分配比进行真空感应冶炼，在1470-1500℃下进行浇注电极棒；
步骤B，将步骤A所得的电极棒进行电渣重熔得到钢锭，电渣重熔工序控制熔速在4.0-4.5kg/min，出水温度为46-52℃；
步骤C，将步骤B所得的钢锭进行高温均匀化处理，均匀化处理温度为1190-1210℃，保温20h以上；
步骤D，高温均匀化处理完成后炉冷至1120-1140℃，保温≥3h后，在该温度下将步骤C所得的钢锭进行锻造成材。
真空感应冶炼时的浇注温度与合金熔点有关，对电极棒的组织均匀性有重要影响，当温度较高时，会使柱状晶区加宽，使得偏析增大，锭子的各向异性大，而温度过低不利于气体及夹杂的去除。电渣重熔工序的传热方向明显，在钢锭中以柱状晶结构为主，由于设置强制水冷，使得金属凝固速度加快，在减少偏析的同时能够有效控制结晶方向。因此，对于熔速及出水温度的有效控制能够提高组织的均匀性。均匀化处理能够使得合金内部的结晶组织得到改善，铸造应力得以消除，减少偏析，能够进一步提升组织的均匀性。均匀化处理的温度与时间至关重要。
优选地，采用十字交叉方法锻造成材，以此来增大成品的锻造变形量。
进一步地，所述步骤A中，真空感应冶炼的真空度为≤0.8Pa，精炼时间为≥60min。真空度对于合金材料的性能有重要影响，在高真空精炼有利于去气，有害杂质的挥发，避免活泼元素烧损，准确控制合金元素含量。
进一步地，所述步骤B中，电渣重熔中的熔渣以质量份计，包括60-65％CaF2、18-22％Al2O3、9-12％CaO、7-12％MgO。电渣重熔渣系的组成直接关系到高温合金的冶炼质量和铸锭的表面质量。CaF2能降低渣的熔点、黏度和表面张力，但其电导率较高，且易造成环境污染；Al2O3能明显降低渣的电导率，减少电耗，提高生产率，但会使渣的熔点和黏度升高；CaO能增大渣的碱度，提高脱硫效率，并降低渣的电导率，但吸水性强，易向合金中带入氢和氧；MgO能防止渣池吸氧及渣中变价氧化物向金属熔池传递供氧，但同样易使渣的黏度提高。因此，针对不同组成的电极棒重熔，应选择合适组成的渣系，具有较低的熔点、黏度，适当的导电性和较高的电阻率，以保证电渣重熔过程的温度和所需热量，具有较低的不稳定氧化物及变价氧化物质量分数。
优选地，所述步骤B中，电渣重熔中的熔渣以质量份计，CaF2：Al2O3：CaO：MgO＝60：20：10：10。
进一步地，利用高温均质化炉设备将步骤B中的钢锭进行高温均匀化处理。
进一步地，所述步骤C中，高温均匀化处理处理后采用自然炉冷却至1120-1140℃后保温。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明提供了一种高温汽轮机叶片及其生产方法，采用真空冶炼法制备，优化了各制备组分的含量，在降低了原料组分中的C含量的前提下，通过电渣重熔处理，选择适宜的电渣重熔渣系，控制电渣重熔的参数，在减少偏析的同时能够有效控制结晶方向；通过均匀化处理步骤，使得合金内部的结晶组织得到改善，铸造应力得以消除，减少偏析，能够进一步提升组织的均匀性；采用十字锻造增大成品的锻造变形量。
附图说明
下面通过附图对本发明做进一步的说明，其中：
图1为通过实施例1制作的材料的金相检测结果；
图2为通过对比例1制作的材料的金相检检测结果。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，
实施例1：
按照以下组分及方法制备高温汽轮机叶片，
步骤A，按成分配比进行真空感应冶炼，其中C元素0.06％，Cr元素19.5％，Al元素1.55％，Ti元素2.60％，Ni元素余量，在1470-1500℃进行浇注电极棒，真空度为0.5pa，精炼时间60min。
步骤B，将步骤A所得的电极棒进行电渣重熔，电渣重熔工序控制熔速在4.5kg/min，出水温度为46-52℃；
步骤C，将步骤B所得的钢锭进行高温均匀化处理，均匀化处理温度1120℃，保温≥20h，
步骤D，将步骤C所得钢锭降温至1130℃，保温3h后，在该温度下采用十字交叉锻造成材。
所述电渣重熔中的熔渣为CaF2：Al2O3：CaO：MgO＝60：20：10：10(wt％)。
实施例2
按照以下组分及方法制备高温汽轮机叶片：
步骤A，按成分配比进行真空感应冶炼，其中C元素0.053％，Cr元素20.5％，Al元素1.58％，Ti元素2.55％，Ni元素余量，在1470-1500℃进行浇注电极棒；真空度为0.5pa，精炼时间60min；
步骤B，将步骤A所得的电极棒进行电渣重熔，电渣重熔工序控制熔速在4.5kg/min，出水温度为46-52℃；
步骤C，将步骤B所得的钢锭进行高温均匀化处理，均匀化处理温度1120℃，保温≥20h；
步骤D，将步骤C所得钢锭降温至1130℃，保温3h后，在该温度下步骤C所得的钢锭采用十字交叉锻造成材。
所述电渣重熔中的熔渣为CaF2：Al2O3：CaO：MgO＝62：19：11：8(wt％)。
实施例3
按照以下组分及方法制备高温汽轮机叶片：
步骤A，按成分配比进行真空感应冶炼，其中C元素0.065％，Cr元素19.5％，Al元素1.65％，Ti元素2.60％，Ni元素余量，在1470-1500℃进行浇注电极棒，真空度为0.7pa，精炼时间60min。
步骤B，将步骤A所得的电极棒进行电渣重熔，电渣重熔工序控制熔速在4.0kg/min，出水温度为46-52℃；
步骤C，将步骤B所得的钢锭进行高温均匀化处理，均匀化处理温度1190-1210℃，保温≥20h；
步骤D，将步骤C所得钢锭降温至1130℃，保温3h后，在该温度下步骤C所得的钢锭采用十字交叉锻造成材。
所述电渣重熔中的熔渣为CaF2：Al2O3：CaO：MgO＝65：18：9：8(wt％)。
实施例4：
按照以下组分及方法制备高温汽轮机叶片，
步骤A，按成分配比进行真空感应冶炼，其中C元素0.06％，Cr元素19.5％，Al元素1.55％，Ti元素2.60％，Ni元素余量，在1470-1500℃进行浇注电极棒，真空度为0.5pa，精炼时间60min。
步骤B，将步骤A所得的电极棒进行电渣重熔，电渣重熔工序控制熔速在4.5kg/min，出水温度为46-52℃；
步骤C，将步骤B所得的钢锭进行高温均匀化处理，均匀化处理温度1120℃，保温≥20h，
步骤D，将步骤C所得钢锭降温至1130℃，保温3h后，在该温度下采用十字交叉锻造成材。
所述电渣重熔中的熔渣为CaF2：Al2O3：CaO：MgO＝65：15：15：5(wt％)。
对比例1
按照以下组分及方法制备高温汽轮机叶片：
步骤A，按成分配比进行真空感应冶炼，其中C元素0.075％，Cr元素19.5％，Al元素1.55％，Ti元素2.60％，Ni元素余量，在1470-1500℃进行浇注电极棒，真空度为1.5pa，精炼时间30min。
步骤B，将步骤A所得的电极棒进行电渣重熔，电渣重熔工序控制熔速在5kg/min，出水温度为55℃；
步骤C，在1130℃下将步骤B所得的钢锭采用直接拔长锻造法锻造成材。
所述电渣重熔中的熔渣为CaF2：Al2O3：CaO：MgO＝65：15：15：5(wt％)。
对比例2
按照以下组分及方法制备高温汽轮机叶片：
步骤A，按成分配比进行真空感应冶炼，其中C元素0.075％，Cr元素19.5％，Al元素1.55％，Ti元素2.60％，Ni元素余量，在1470-1500℃进行浇注电极棒，真空度为0.5pa，精炼时间60min。
步骤B，将步骤A所得的电极棒进行电渣重熔，电渣重熔工序控制熔速在5kg/min，出水温度为55℃；
步骤C，将步骤B所得的钢锭进行高温均匀化处理，均匀化处理温度1120℃，保温≥20h，
步骤D，将步骤C所得钢锭降温至1130℃，保温3h后，在该温度下将步骤C所得的钢锭采用十字交叉锻造成材。
所述电渣重熔中的熔渣为CaF2：Al2O3：CaO：MgO＝60：20：10：10(wt％)。
对比例3
按照以下组分及方法制备高温汽轮机叶片：
步骤A，按成分配比进行真空感应冶炼，其中C元素0.06％，Cr元素19.5％，Al元素1.55％，Ti元素2.60％，Ni元素余量，在1470-1500℃进行浇注电极棒，真空度为0.7Pa，精炼时间60min。
步骤B，将步骤A所得的电极棒进行电渣重熔，电渣重熔工序控制熔速在4.5kg/min，出水温度为50℃；
步骤C，在1130℃下将步骤B所得的钢锭采用十字交叉锻造成材。
所述电渣重熔中的熔渣为CaF2：Al2O3：CaO：MgO＝60：20：10：10(wt％)。
将实施例1-4，对比例1-4的成品材按照标准热处理工艺进行固溶时效热处理，分别检测材料的高温持久合格率。其中，高温持久检测的方法为：采用高温持久试验机，试样在750℃±10℃下，施加340Mpa的持久应力，检测试验断裂时间。
表1各实施例及对比例的高温持久检测结果
Figure BDA0001823827460000081
对实施例1和对比例1进行了金相显微观察。
由图1与图2所示，与现有技术的对比例1相比，采用本方法的实施例1制作的高温汽轮机叶片材料组织混晶均匀性得到极大的改善。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种高温汽轮机叶片，其特征在于，由包含下列质量百分比的化学成分制成：C：0.05-0.068%、Cr：19-21%、Al:1.50-1.65%、Ti:2.5-2.6%、Ni为余量元素；所述高温汽轮叶片按照以下方法制备：
步骤A，按各成分配比进行真空感应冶炼，在1470-1500℃下进行浇注电极棒；
步骤B，将步骤A所得的电极棒进行电渣重熔得到铸锭，控制重熔熔速在4.0-4.5kg/min，出水温度为46-52℃；所述步骤B中，电渣重熔中的熔渣以质量百分数计，包括60-65%CaF2、18-22% Al2O3、9-12% CaO、7-12% MgO；
步骤C，将步骤B所得的铸锭在高温均质炉中进行高温均匀化处理，均匀化处理温度为1190-1210℃，保温20h以上；
步骤D，高温均匀化处理完成后炉冷至1120-1140℃，保温≥3h后，在该温度下将步骤C所得的铸锭进行锻造成材。
2.根据权利要求1所述的高温汽轮机叶片，其特征在于，由包含下列质量百分比的化学成分制成：C：0.055-0.065%、Cr：19.5-20%、Al:1.55-1.6%、Ti:2.55-2.6%、Ni为余量元素。
3.根据权利要求1所述的高温汽轮机叶片，其特征在于，采用十字交叉方法锻造成材。
4.根据权利要求3所述的高温汽轮机叶片，其特征在于，所述步骤A中，真空感应冶炼的真空度为≤0.8pa，精炼时间为≥60min。
5.据权利要求1所述的高温汽轮机叶片，其特征在于，所述步骤B中，电渣重熔中的熔渣的质量比为，CaF2：Al2O3：CaO：MgO=60：20：10：10。
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