CN109536854A - 一种600℃等级及以下汽轮机叶根垫片的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种600℃等级及以下汽轮机叶根垫片的制造方法，属于金属材料领域。叶根垫片材料成分为(0.05‑0.1wt％)C、(17‑20wt％)Cr、(9‑11wt％)Ni、(0.25‑0.5wt％)V、(0.75‑1.5wt％)Ti、(0.1‑0.2wt％)N，余量为Fe，其中Ti与V的含量比为3：1；叶根垫片的制作过程包括合金冶炼、锻造开坯、精密热轧、固溶热处理、板材冷轧平整、激光切割。本发明材料具有优异的力学性能，通过热轧成形和冷轧平整，所制造的垫片在0.5mm到2mm厚度范围内的尺寸精度可以达到±0.02mm，无论是力学性能还是尺寸精度都能够完全满足600℃等级及以下汽轮机叶根垫片的要求。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种600℃等级及以下汽轮机叶根垫片的制造方法。
背景技术
超临界汽轮机组的调节级和高温段叶片大多采用强化的12％Cr钢，GE、日立、东芝、三菱、西门子等公司主要使用2Cr12NiMolWlV或2Cr11M1VNbN钢或改良12Cr钢制作高温叶片。对蒸汽温度高于566℃的超临界汽轮机组与600℃的超超临界机组，一般使用改良12Cr钢(Cr-Mo-V-Nb-N-W)、新12Cr钢(Cr-Mo-V-Nb-N-W-Co-B)。超临界机组使用的低压叶片以及末级叶片与亚临界机组相同，一般采用强化的12％Cr系不锈钢、17-4PH沉淀硬化不锈钢和钛合金材料。其中，强化的12％Cr系不锈钢因制造工艺简单、成本低廉而得到最为广泛的使用。
目前国内对于650℃以下等级汽轮机的叶片，其装配主要依靠叶片本身高的尺寸精度和现场加工来实现叶片根部之间的无间隙配合。该装配方法存在的主要问题是：(1)叶片根部的加工精度要求极高，因此造成叶片的成本较高，另外包装运输也容易对叶片根部造成一定的损伤，从而降低其精度，甚至造成整个叶片的报废；(2)由于叶片装配后根部为过紧配合，因此当叶片温度较高会因膨胀产生很大的热应力，这将可能影响叶片的高温性能，从而影响叶片的寿命和机组的可靠性。
为了避免由于叶片膨胀产生的应力造成对叶片性能的损伤，叶片的装配方法应由目前的过紧配合改为间隙配合，即叶片与叶片根部之间留有一定的间隙，并通过在间隙中插入垫片来实现叶片之间的配合。该装配方法有两个优点：(1)降低了叶片的加工精度，提高了叶片加工的成品率，降低了叶片的成本；(2)通过加入垫片，降低了叶片的装配难度，同时可以降低叶片根部之间的高温热应力，提高了叶片工作的安全性和稳定性。
汽轮机叶片工作的气体压力和温度不同，选用的垫片材料也有一定的差别。对于600℃等级及以下汽轮机的叶片目前广泛采用强化的12％Cr系不锈钢，其对垫片的要求有三方面：(1)垫片本身具有低的屈服强度和高的蠕变断裂强度以缓解叶片间因膨胀产生的热应力，室温硬度比12％Cr系不锈钢叶片硬度低以降低在装配过程中对叶片的机械损伤；(2)垫片加工性能比较好，能够加工成不同的厚度，垫片厚度的尺寸精度为±0.02mm。现有成熟牌号的材料均不能满足上述要求，需要开发新的叶根垫片材料。
发明内容
本发明设计了一种用于600℃等级及以下汽轮机叶根垫片的材料，该材料所制备的垫片室温硬度远低于叶片本身的硬度，同时又具有优异的高温抗氧化性能和高的高温蠕变断裂强度；另外，该合金具有优异的加工性能，通过热轧制可以加工成厚度范围为0.5mm到2mm的垫片，再通过冷轧平整，垫片的厚度精度可以达到±0.02mm，无论是力学性能还是尺寸精度都能够完全满足600℃等级及以下汽轮机叶根垫片的材料。
一种600℃等级及以下汽轮机叶根垫片的制造方法，其特征在于：叶根垫片材料成分为(0.05-0.1wt％)C、(17-20wt％)Cr、(9-11wt％)Ni、(0.25-0.5wt％)V、(0.75-1.5wt％)Ti、(0.1-0.2wt％)N，余量为Fe，其中Ti与V的含量比为3：1；叶根垫片的制作过程包括合金冶炼、锻造开坯、精密热轧、固溶热处理、板材冷轧平整、激光切割。采用发明成分的材料制备叶根垫片时，其主要制作过程包括合金冶炼、锻造开坯、精密热轧、固溶热处理、板材冷轧平整、激光切割。
具体的制造工艺及要求如下：
(1)合金冶炼：按合金成分Fe-(0.05-0.1wt％)C-(17-20wt％)Cr-(9-11wt％)Ni-(0.25-0.5wt％)V-(0.75-1.5wt％)Ti-(0.1-0.2wt％)N，其中Ti与V的含量比为3：1,称取原材料，然后进行真空熔炼得到母合金。将母合金进行真空电渣重熔，电渣配方为(重量百分比)：Al2O3为35-55％；CaO为35-45％；CaF为5-10％；TiN为5-10％，真空度为1-10Pa。
(2)合金锻造：将电渣锭锻造成一定厚度的板坯，锻造时，工件入炉保温温度为1150℃，保温时间按照20分钟/厘米的标准并结合坯料的实际直径确定。第一火锻造时合金的变形量控制在15～20％范围，第二火开始每次的锻造变形量控制范围为40～60％。每一火锻造的终锻温度为1000℃，每火之间坯料回炉的保温温度为1150℃。锻造后将板坯回炉进行保温热处理，热处理温度1050℃，保温时间按照30分钟/厘米的标准并结合锻造后板坯的实际厚度确定，保温后进行水冷。
(3)精密热轧：将锻造好的板坯热轧成需要厚度的板材，热轧温度1050-1150℃，停轧温度大于950℃，热轧后板材的厚度范围为0.5mm-2.0mm，公差精度为±0.05mm。
(4)固溶及析出强化热处理：热轧后将板材进行固溶和析出强化热处理，温度为800-850℃，保温时间按照3-5分钟/毫米厚度进行设置，热处理后空冷。
(5)冷轧平整：将经过固溶和析出强化处理的热轧板材进行冷轧平整处理，将其公差精度由热轧态的±0.05mm提高到±0.02mm。
(6)激光切割成形：将冷轧到要求厚度的冷轧板采用激光切割成要求的尺寸和形状，得到成品叶根垫片。
采用上述工艺制备的垫片，由于原材料具有良好的热加工和冷加工性能，因此厚度尺寸精度高，可达到±0.02mm；通过控制C含量，添加Cr、Ni、Ti、V和N元素，并严格控制Ti与V的比例，可获得优异的室温和高温性能，其室温抗拉强度超过700MPa，屈服强度仅为200MPa，延伸率大于50％，硬度HB小于100，600℃、80MPa条件下的蠕变断裂时间超过1万小时，并且抗高温氧化性能优异。采用上述合金成分和制备工艺制备垫片的尺寸和性能均能够完全满足600℃等级及以下汽轮机叶根垫片的要求。
具体实施方式:
(1)由于叶根垫片的厚度通常为0.5mm到2.0mm的一系列厚度，因此具体实施方式中选取了0.5mm，1.0mm和2.0mm三个典型的厚度来进行实施说明，分别为制造规格为3cm(长)×2cm(宽)×2.0±0.02mm(厚)的垫片100片，规格为3.5cm(长)×2.5cm(宽)×1.0±0.02mm(厚)的垫片100片，规格为2.5cm(长)×1.5cm(宽)×厚度为0.5mm±0.02mm的垫片100片
具体制造步骤为：
第一步进行母合金熔炼：采用设备为200kg的真空感应熔炼炉，熔炼合金的总重量为150kg，各元素的重量按Fe-0.1wt％C-20wt％Cr-11wt％Ni-0.5wt％V-1.5wt％Ti-0.2wt％N进行配比，其中N以TiN的形式加入，分别需0.015kg碳，30kgCr，16.5kgNi，0.075kgV，1.2kgTi，1.36kgTiN，100.85kgFe。熔炼母合金的浇铸温度为1600℃，浇铸母合金锭直径规格为15cm。
第二步进行母合金的真空电渣重熔：采用设备为100kg真空电渣重熔炉，电渣的成分:Al2O3为40％；CaO为40％；CaF为10％；TiN为10％，真空度为1-10Pa,按电渣总量3kg计算，则需:Al2O3为1.2kg；CaO为1.2kg；CaF为0.3kg；TiN为0.3kg，电渣锭的规格为20cm。
第三步进行电渣锭的锻造开坯处理，电渣锭入炉保温温度为1150℃，保温时间为400分钟，使钢坯充分热透，并实现内部合金元素的进一步扩散，使得内部成分更均匀。保温完毕后进行第一火锻造，第一火变形量控制在15％，使粗大晶粒得到初步的破碎；第二火开始增大锻坯的变形量，控制每火变形量达到40％，每火的终锻温度为1000℃，坯料回炉的保温温度为1150℃。将电渣锭锻造成板坯，板坯厚度为10毫米。最后一火锻造后将板坯进行回炉保温热处理，热处理温度1050℃，保温时间30分钟，然后进行水冷。
第四部进行精密热轧：将锻造好的10毫米厚的板坯进行热轧，热轧初始温度1150℃，停轧温度大于950℃，将10毫米厚的板坯首先热轧成2mm±0.05mm厚，然后截取一定的尺寸用于加工2mm厚的垫片；然后，将剩余的板坯重新进行加热至1150℃，保温温度10分钟，继续热轧成1mm±0.05mm厚的板材，再进行截取一定的尺寸用于加工1.0mm厚的垫片；最后将剩余的1.0mm厚板材重新进行加热至1150℃，保温温度4分钟，热轧成规格为0.5mm±0.05mm厚的板材，用于加工0.5mm厚的垫片。
第五步，将三个规格的热轧板材进行固溶及析出强化热处理，固溶热处理温度为850℃，规格为0.5mm的板材保温时间为2分钟，1.0mm规格的板材保温时间为4分钟，2.0mm规格的板材保温时间为8分钟，所有板材固溶热处理后进行空冷。
第六步，将经过固溶热处理的三种规格的热轧板进行冷轧平整，将其公差精度由热轧态的±0.05mm提高到±0.02mm。
第七步，将三种规格的板材按尺寸要求进行激光切割成形，得到成品叶根垫片。
Claims (2)
1.一种600℃等级及以下汽轮机叶根垫片的制造方法，其特征在于：叶根垫片材料成分为(0.05-0.1wt％)C、(17-20wt％)Cr、(9-11wt％)Ni、(0.25-0.5wt％)V、(0.75-1.5wt％)Ti、(0.1-0.2wt％)N，余量为Fe，其中Ti与V的含量比为3：1；叶根垫片的制作过程包括合金冶炼、锻造开坯、精密热轧、固溶热处理、板材冷轧平整、激光切割。
2.如权利要求1所述一种600℃等级及以下汽轮机叶根垫片的制造方法，其特征在于：具体的制造工艺如下：
(1)合金冶炼：按合金成分Fe-(0.05-0.1wt％)C-(17-20wt％)Cr-(9-11wt％)Ni-(0.25-0.5wt％)V-(0.75-1.5wt％)Ti-(0.1-0.2wt％)N，其中Ti与V的含量比为3：1,称取原材料，然后进行真空熔炼得到母合金；将母合金进行真空电渣重熔，电渣配方为(重量百分比)：Al2O3为35-55％；CaO为35-45％；CaF为5-10％；TiN为5-10％，真空度为1-10Pa；
(2)合金锻造：将电渣锭锻造成一定厚度的板坯，锻造时，工件入炉保温温度为1150℃，保温时间按照20分钟/厘米的标准并结合坯料的实际直径确定；第一火锻造时合金的变形量控制在15～20％范围，第二火开始每次的锻造变形量控制范围为40～60％；每一火锻造的终锻温度为1000℃，每火之间坯料回炉的保温温度为1150℃；锻造后将板坯回炉进行保温热处理，热处理温度1050℃，保温时间按照30分钟/厘米的标准并结合锻造后板坯的实际厚度确定，保温后进行水冷；
(3)精密热轧：将锻造好的板坯热轧成需要厚度的板材，热轧温度1050-1150℃，停轧温度大于950℃，热轧后板材的厚度范围为0.5mm-2.0mm，公差精度为±0.05mm；
(4)固溶及析出强化热处理：热轧后将板材进行固溶和析出强化热处理，温度为800-850℃，保温时间按照3-5分钟/毫米厚度进行设置，热处理后空冷；
(5)冷轧平整：将经过固溶和析出强化处理的热轧板材进行冷轧平整处理，将其公差精度由热轧态的±0.05mm提高到±0.02mm；
(6)激光切割成形：将冷轧到要求厚度的冷轧板采用激光切割成要求的尺寸和形状，得到成品叶根垫片。
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| CN109811197A (zh) * | 2019-01-09 | 2019-05-28 | 河北五维航电科技股份有限公司 | 一种用于700℃汽轮机调节级叶根垫片材料的制备方法 |
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