CN109402490B - 一种提高含Nb叶片钢高温性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提高含Nb叶片钢高温性能的方法，属于合金材料冶炼技术领域。本发明提供的方法是采用以下处理步骤：(1)冶炼时加入稀土元素控制晶界净化；(2)控制成品硼质量百分含量0.0005％～0.0015％；(3)控制成品晶粒度4.0～6.0级。采用本发明的处理方法，能够显著提高含Nb叶片钢的高温持久性能，在温度为560℃、应力为360MPa下，其高温持久断裂时间可达700h以上，大大延长了其使用寿命。

Description

一种提高含Nb叶片钢高温性能的方法
技术领域
本发明属于合金冶炼技术领域，具体涉及一种提高含Nb叶片钢高温性能的方法。
背景技术
叶片是发动机的关键部件之一，叶片的表面质量，内部质量和力学性能的优劣，直接影响其综合性能。叶片钢主要用于发电机组汽轮机高温叶片及螺栓部件。汽轮机叶片分为静叶片和动叶片，其主要功能为将高温蒸汽的热能转换为机械能，工作条件非常复杂。运行中转子高速度旋转时，由叶片的离心力会引起拉应力；由蒸汽流动的压力造成叶片的弯曲应力和扭转应力；传递至叶根的销钉孔或根齿，还会产生剪切和压缩应力；机组的频繁启停等还会造成叶片承受交变载荷的作用等等。叶片钢由于在高温、大交变应力等恶劣环境中工作，要求熔模精密铸造的钢片不仅表面完好，而且内部具有抗疲劳性好的细晶组织和耐高温蠕变的致密组织。
由于叶片钢使用于高温、复杂的应力条件下，其高温力学性能的研究就显得非常重要。现有文献中对奥氏体不锈钢的高温拉伸变形行为的研究报道很多，但对于叶片钢这种马氏体不锈钢的高温力学性能的研究只局限于不同热处理或金相组织状态下的力学性能指标的变化，而对其高温力学变形行为的研究却很少有报道。
特别是对于含Nb叶片钢，其是一种马氏体不锈钢材料，化学成份如下：(重量百分比Wt％)为：C：0.16～0.23％、Mn：0.30～0.80％、Si：≤0.50％、Ni：0.20～0.50％、Cr：10.0～11.5％、Mo：0.50～0.80％、V：0.10～0.30％、Nb：0.30～0.55％、N：0.05～0.10％，余量是Fe及杂质。目前该含Nb叶片钢因为有较好的综合力学性能，被广泛用于叶片及螺栓材料。但是，采用目前的生产方法，该叶片钢的高温持久性能容易存在超差情况，难以达到很好的工程使用要求，有待于进一步提高该含Nb叶片钢的高温持久性能。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述技术问题，而提供一种提高含Nb叶片钢高温性能的方法。本发明提供的方法能够显著提高含Nb叶片钢的高温持久性能，大大延长了其使用寿命。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种提高含Nb叶片钢高温性能的方法，其是采用以下方法步骤：
(1)冶炼时加入稀土元素控制晶界净化；
(2)控制成品硼质量百分含量0.0005％～0.0015％；
(3)控制成品晶粒度4.0～6.0级。
本发明的发明人发现，通过采用上述方法处理含Nb叶片钢，能够显著提升其高温持久性能，在温度为560℃、应力为360MPa下，其高温持久断裂时间可达700h以上。
进一步的是，方法(1)中所述稀土元素包括镧系元素、钇和钪中的一种。较为优选的是，所述稀土元素包括钇和钪中的一种。
进一步的是，所述稀土元素的加入量占叶片钢元素总质量百分含量为0.04～0.08％。
进一步的是，方法(2)中控制成品硼含量在真空感应炉中进行精炼。
进一步的是，方法(2)中向所述真空感应炉内充氩气，控制炉内真空度为10Pa以下。
进一步的是，所述精炼采用电渣重熔或真空自耗步骤。
进一步的是，方法(3)中所述控制晶粒度的方法为使用稀土硅合金作为晶粒细化剂。
进一步的是，所述稀土硅合金的粒度为3～5mm。
进一步的是，所述稀土硅合金的加入量占叶片钢元素总质量百分含量为0.05～0.065％。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明采用的方法能够显著提升含Nb叶片钢的高温持久性能，大大延长其高温持久断裂时间，在温度为600℃、应力为360MPa下，其高温持久断裂时间可达700h以上，而未经改善的含Nb叶片钢的高温持久性能仅能达到500h左右。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要指出的是，以下实施例仅仅用于对本发明进行解释和说明，并不用于限定本发明。本领域技术人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
一种提高含Nb叶片钢高温性能的方法，其是采用以下方法步骤：
(1)冶炼时加入稀土元素控制晶界净化；
(2)控制成品硼质量百分含量0.0005％；
(3)控制成品晶粒度4.0～5.0级。
上述方法(1)中所述稀土元素选择钇，稀土元素的加入量占叶片钢元素总质量百分含量为0.04％。方法(2)中控制成品硼含量在真空感应炉中进行精炼，精炼采用电渣重熔，向真空感应炉内充氩气，控制炉内真空度为10Pa以下。方法(3)中控制晶粒度的方法为使用稀土硅合金作为晶粒细化剂，稀土硅合金的粒度为3mm，稀土硅合金的加入量占叶片钢元素总质量百分含量为0.05％。
实施例2
一种提高含Nb叶片钢高温性能的方法，其是采用以下方法步骤：
(1)冶炼时加入稀土元素控制晶界净化；
(2)控制成品硼质量百分含量0.0015％；
(3)控制成品晶粒度5.0～6.0级。
上述方法(1)中所述稀土元素为镧系元素中的一种，稀土元素的加入量占叶片钢元素总质量百分含量为0.08％。方法(2)中控制成品硼含量在真空感应炉中进行精炼，精炼采用真空自耗步骤，向真空感应炉内充氩气，控制炉内真空度为10Pa以下。方法(3)中控制晶粒度的方法为使用稀土硅合金作为晶粒细化剂，稀土硅合金的粒度为5mm，稀土硅合金的加入量占叶片钢元素总质量百分含量为0.065％。
实施例3
一种提高含Nb叶片钢高温性能的方法，其是采用以下方法步骤：
(1)冶炼时加入稀土元素控制晶界净化；
(2)控制成品硼质量百分含量0.0009％；
(3)控制成品晶粒度4.0～6.0级。
上述方法(1)中所述稀土元素为钪，稀土元素的加入量占叶片钢元素总质量百分含量为0.06％。方法(2)中控制成品硼含量在真空感应炉中进行精炼，精炼采用电渣重熔步骤，向所述真空感应炉内充氩气，控制炉内真空度为10Pa以下。方法(3)中控制晶粒度的方法为使用稀土硅合金作为晶粒细化剂，稀土硅合金的粒度为4mm，稀土硅合金的加入量占叶片钢元素总质量百分含量为0.055％。
对比例1
与实施例1不同的是，成品硼的质量百分含量为0.003％，控制成品晶粒度2.0～3.0级，其余步骤一致。
对比例2
与实施例2不同的是，不进行步骤(1)的操作，其余步骤一致。
试验例
对上述实施例1-3和对比例1-2中生产出的试样进行高温持久性能检测，采用M-4J型试验机进行试验，试验条件：温度560℃，应力360MPa，检测结果见表1所示。
表1
Figure BDA0001935567260000061
从上表可以看出，采用本发明实施例中的处理方法，可以显著提高含Nb叶片钢的高温持久性能。而对比例1中的高温持久断裂时间缩短为532h，对比例2的高温持久断裂时间为548h。

Claims (2)

1.一种提高含Nb叶片钢高温性能的方法，其特征在于，是采用以下方法步骤：
(1)冶炼时加入稀土元素钪控制晶界净化，稀土元素钪的加入量占叶片钢元素总质量百分含量为0.06％；
(2)在真空感应炉中进行精炼，向所述真空感应炉内充氩气，控制炉内真空度为10Pa以下，控制成品硼质量百分含量0.0009％；
(3)控制成品晶粒度4.0～6.0级，其具体方法为：使用稀土硅合金作为晶粒细化剂，稀土硅合金的粒度为4mm，稀土硅合金的加入量占叶片钢元素总质量百分含量为0.055％；
其中，所述含Nb叶片钢的化学成份按重量百分比Wt％计为：C：0.16～0.23％、Mn：0.30～0.80％、Si：≤0.50％、Ni：0.20～0.50％、Cr：10.0～11.5％、Mo：0.50～0.80％、V：0.10～0.30％、Nb：0.30～0.55％、N：0.05～0.10％，余量是Fe及杂质。
2.根据权利要求1所述的提高含Nb叶片钢高温性能的方法，其特征在于，所述精炼采用电渣重熔或真空自耗步骤。
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