CN110042206B - 一种重型燃机透平轮盘锻件的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用锻件热处理工艺技术领域，提供一种重型燃机透平轮盘锻件的热处理方法，包括：将重型燃机透平轮盘锻件加热升温至1030～1060℃，进行淬火加热处理；将处理后的重型燃机透平轮盘锻件油冷至不高于200℃，得第一锻件；将第一锻件按中间阶梯方式加热升温至550～580℃，进行第一次回火热处理；将处理后的第一锻件空冷至室温，并进行中心孔加工，所述中心孔直径为190～210毫米，得第二锻件；将第二锻件按中间阶梯方式加热升温至630～660℃，进行第二次回火热处理；将处理后的第二锻件分阶段空冷至室温。实现对重型燃气机轮盘锻件的强度及残余应力进行调控，获得820～840MPa屈服强度，中心孔内有40～70MPa残余压应力，满足对重型燃气轮机轮盘锻件的高强度等级及残余应力要求。
Description
技术领域
本发明属于锻件热处理工艺技术领域，尤其涉及一种重型燃机透平轮盘锻件的热处理方法。
背景技术
重型燃气轮机是发电设备的高端装备，其技术含量和设计制造难度居所有机械设备之首，是机械制造行业的金字塔顶端。由于发电领域的重型燃气轮机具有尺寸小、效率高、污染少等特点，发达国家上世纪80年代以来大力发展大功率燃气轮机-蒸汽轮机联合循环电厂，目前发电领域用重型燃气轮机亦是我国高端能源装备行业的重点发展方向。然而，重型燃气轮机用高铬透平轮盘锻件由COST-E材料锻制，具有极高的强度及残余应力要求，这对锻件制造业提出了新挑战。
因此，鉴于重型燃气轮机用高铬透平轮盘锻件的高强度等级及残余应力要求，亟需开发一种新的热处理方法以对高铬透平轮盘锻件的强度及残余应力进行调控。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种重型燃机透平轮盘锻件的热处理方法，旨在提供一种新的热处理方法以对重型燃气轮机用高铬透平轮盘锻件的强度及残余应力进行调控。
本发明实施例是这样实现的，一种重型燃机透平轮盘锻件的热处理方法，包括：
将重型燃机透平轮盘锻件按中间阶梯方式加热升温至1030～1060℃，进行淬火加热处理，保温时间为每100毫米锻件厚度保温2～3小时；
将处理后的重型燃机透平轮盘锻件油冷至190～210℃，得第一锻件；
将所述第一锻件按中间阶梯方式加热升温至550～580℃，进行第一次回火热处理，保温时间为每100毫米锻件厚度保温3～4小时；
将处理后的第一锻件空冷至室温，并进行中心孔加工，所述中心孔直径为190～210毫米，得第二锻件；
将所述第二锻件按中间阶梯方式加热升温至630～660℃，进行第二次回火热处理，保温时间为每100毫米锻件厚度保温3～4小时；
将处理后的第二锻件分阶段空冷至室温。
本发明实施例提供的一种重型燃机透平轮盘锻件的热处理方法，通过限速升温至1030～1060℃进行高温奥氏体均匀化处理，保温结束后，对锻件进行一定时间的油冷淬火，确保锻件组织转变的完成，为锻件获得高强度打下基础；进而对锻件进行第一次550～580℃中温回火处理以及加工锻件中心孔，为后续在中心孔部位引进压应力提供条件；最后，对锻件进行第二次630～660℃高温回火处理，实现调控锻件强度的同时在锻件中心孔位置引入残余压应力；实现对重型燃气轮机用高铬透平轮盘锻件的强度及残余应力进行调控，获得820～840MPa屈服强度，中心孔内有40～70MPa残余压应力，满足对重型燃气轮机轮盘锻件的高强度等级及残余应力要求，具有良好的技术效果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的重型燃机透平轮盘锻件在淬火及第一次回火处理中的尺寸示意图；
图2为本发明实施例提供的重型燃机透平轮盘锻件在第二次回火处理中的尺寸示意图；
图3为本发明实施例提供的重型燃机透平轮盘锻件的热处理过程的曲线示意图。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
COST-E材料目前主要用于锻制600℃汽轮机转子锻件，转子锻件室温屈服强度要求为700～800MPa。而本发明实施例所用的重型燃机透平轮盘锻件，也是由COST-E材料锻制，具有极高的强度及残余应力要求，但其室温屈服强度要求为800～900MPa，较转子锻件屈服要求值提高100MPa，即具有更高的室温强度等级要求；这意味着，按目前转子锻件已有的热处理方法根本无法获得燃机轮盘锻件所需强度等级。另一方面，轮盘锻件要求在轮盘中心孔部位引入不超过80MPa的压应力，这与常规发电领域大锻件要求进行消应力热处理，以去除锻件残余应力具有较大差异。鉴于重型燃气轮机轮盘锻件高强度等级及残余应力要求，需要开发一种新的热处理方法以对重型燃气轮机轮盘锻件的强度及残余应力进行调控。
在本发明实施例中，将预处理的重型燃机轮盘锻件进行淬火加热，淬火温度为1030～1060℃；加热方式采用中间阶梯加热方式，以减少加热过程中因锻件内外壁厚温差过大导致的热应力。具体为：先将锻件室温放入热处理炉内，然后随炉功率升温至200±10℃保温，保温时间按每100mm热处理有效厚度保温2～3小时计算；然后，以≤25℃/小时的升温速率升至650℃，最后以较快的速度(≤45℃/小时)升温至淬火温度进行保温，淬火保温时间按每100mm有效厚度2～3小时计算，有效厚度可根据锻件的具体形状尺寸计算获得。
在本发明实施例中，淬火保温结束后，为保证锻件淬火质量，采用浸油冷却方式对锻件进行淬火冷却。具体操作为：淬火保温结束后，将锻件垂直吊出热处理炉，完全浸入油槽中冷却180分钟，前30分钟工件上下窜动；淬火冷却结束，将锻件吊出油槽，最终冷却后表面温度控制在200℃以内，得第一锻件。
在本发明实施例中，淬火冷却结束后，将第一锻件进行第一次回火热处理。回火处理结束出炉后，加工轮盘锻件中心孔。具体为：淬火冷却结束后，将锻件放入热处理炉内，然后随炉功率升温至200±10℃保温，保温时间按每100mm热处理有效厚度保温2～3小时计算；然后，以≤25℃/小时的速率升至550-580℃保温，保温时间按每100mm热处理有效厚度保温3～4小时计算。保温结束，锻件出炉空冷至室温，随后加工出轮盘锻件￠190～210mm中心孔，得第二锻件。
在本发明实施例中，轮盘锻件中心孔加工到位后，将第二锻件进行第二次回火热处理。具体为：将锻件放入热处理炉内，然后随炉功率升温至200±10℃保温，保温时间按每100mm热处理有效厚度保温2～3小时计算；然后，以≤25℃/小时的速率升至630～660℃保温，保温时间按每100mm热处理有效厚度保温3～4小时计算。保温结束，锻件需先以≤10℃/小时的速率冷却至600℃，随后将锻件垂直吊出热处理炉，完全浸入油槽中冷却100分钟。冷却结束，将锻件吊出油槽，最终冷却后表面温度控制在100℃以内，之后空冷至室温。
本发明实施例提供的重型燃机透平轮盘锻件的热处理方法，通过在热处理过程中，限速升温至1030～1060℃进行高温奥氏体均匀化处理，保温结束后，对锻件进行一定时间的油冷淬火，确保锻件组织转变的完成，为锻件获得高强度打下基础；其次，进行第一次550～580℃中温回火处理，回火处理结束出炉空冷至室温后，加工锻件中心孔，为后续在中心孔部位引进压应力提供条件；最后，对锻件进行第二次630～660℃高温回火处理，并缓冷至600℃时出炉油冷，实现调控锻件强度的同时在锻件中心孔位置引入残余压应力。
以下结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
一种重型燃机透平轮盘锻件的热处理方法，包括：
将重型燃机透平轮盘锻件室温放入热处理炉内，然后随炉功率升温至200℃保温，保温时间按每100mm热处理有效厚度保温2小时计算；然后以25℃/小时的速率升至650℃，最后以较快的速度(45℃/小时)升温至淬火温度1040℃进行保温；淬火保温结束后，将锻件垂直吊出热处理炉，完全浸入油槽中冷却180分钟，前30分钟工件上下窜动；淬火冷却结束，将锻件吊出油槽，最终冷却后表面温度控制在200℃以内；
淬火冷却结束后，将锻件放入热处理炉内，然后随炉功率升温至200℃保温，保温时间按每100mm热处理有效厚度保温2小时计算；然后以25℃/小时的速率升至560℃保温，保温时间按每100mm热处理有效厚度保温3小时计算。保温结束，锻件出炉空冷至室温，随后加工出轮盘锻件￠200mm中心孔；
轮盘锻件中心孔加工到位后，将锻件进行第二次回火热处理。具体为将锻件放入热处理炉内，然后随炉功率升温至200℃保温，保温时间按每100mm热处理有效厚度保温2小时计算。然后以25℃/小时的速率升至640℃保温，保温时间按每100mm热处理有效厚度保温3小时计算。保温结束，锻件需先以10℃/小时的速率冷却至590℃，随后将锻件垂直吊出热处理炉，完全浸入油槽中冷却100分钟；冷却结束，将锻件吊出油槽，最终冷却后表面温度控制在100℃以内，之后空冷至室温；最后得到820～840MPa屈服强度，中心孔内有40～70MPa残余压应力的重型燃机透平轮盘锻件。
实施例2
一种重型燃机透平轮盘锻件的热处理方法，包括：
将重型燃机透平轮盘锻件室温放入热处理炉内，然后随炉功率升温至210℃保温，保温时间按每100mm热处理有效厚度保温3小时计算；然后以20℃/小时的速率升至650℃，最后以较快的速度(40℃/小时)升温至淬火温度1050℃进行保温；淬火保温结束后，将锻件垂直吊出热处理炉，完全浸入油槽中冷却180分钟，前30分钟工件上下窜动；淬火冷却结束，将锻件吊出油槽，最终冷却后表面温度控制在200℃以内；
淬火冷却结束后，将锻件放入热处理炉内，然后随炉功率升温至200℃保温，保温时间按每100mm热处理有效厚度保温3小时计算；然后以20℃/小时的速率升至570℃保温，保温时间按每100mm热处理有效厚度保温3小时计算。保温结束，锻件出炉空冷至室温，随后加工出轮盘锻件￠200mm中心孔；
轮盘锻件中心孔加工到位后，将锻件进行第二次回火热处理。具体为将锻件放入热处理炉内，然后随炉功率升温至200℃保温，保温时间按每100mm热处理有效厚度保温3小时计算。然后以20℃/小时的速率升至650℃保温，保温时间按每100mm热处理有效厚度保温4小时计算。保温结束，锻件需先以5℃/小时的速率冷却至600℃，随后将锻件垂直吊出热处理炉，完全浸入油槽中冷却100分钟；冷却结束，将锻件吊出油槽，最终冷却后表面温度控制在100℃以内，之后空冷至室温；最后得到820～840MPa屈服强度，中心孔内有40～70MPa残余压应力的重型燃机透平轮盘锻件。
本发明实施例1-2所处理的重型燃机透平轮盘锻件在淬火及第一次回火处理中的尺寸(单位：毫米)如图1所示，在第二次回火处理中的尺寸如图2所示；而图3示出了该重型燃机透平轮盘锻件的热处理工艺过程；即在热处理结束后，按照图2所示，从本体上割取试样1-试样4，依据国家标准要求采用室温拉伸试验方法对锻件试样进行室温强度检测，结果表明锻件可获得820～840MPa屈服强度；以及对图2所示锻件中心孔位置，按照机械行业标准要求采用环芯法对锻件进行残余应力检测，结果表明，锻件可获得40～70MPa残余压应力；综上可知，该热处理方法可以有效调控重型燃机轮盘锻件强度及残余应力；满足对重型燃气轮机轮盘锻件的高强度等级及残余应力要求，具有良好的技术效果。
值得注意的是，本发明实施例所提供的重型燃机透平轮盘锻件的热处理方法不仅适用于由COST-E材料锻制的重型燃机透平轮盘锻件，也适用于同材质锻制、具有相同强度及残余应力要求的同类型盘类锻件。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种重型燃机透平轮盘锻件的热处理方法，其特征在于，包括：
将重型燃机透平轮盘锻件按中间阶梯方式加热升温至1030～1060℃，进行淬火加热处理，保温时间为每100毫米锻件厚度保温2～3小时；所述中间阶梯方式具体为：将重型燃机透平轮盘锻件置于热处理炉中，按照随炉功率升温至190℃～210℃保温，保温时间为每100毫米锻件厚度保温2～3小时；保温完成后，将所述热处理炉以≤25℃/小时的升温速率升温至650℃；待升温至650℃后，将所述热处理炉以≤45℃/小时的升温速率升温至1030～1060℃；
将处理后的重型燃机透平轮盘锻件油冷至不高于200℃，得第一锻件；
将所述第一锻件按中间阶梯方式加热升温至550～580℃，进行第一次回火热处理，保温时间为每100毫米锻件厚度保温3～4小时；
将处理后的第一锻件空冷至室温，并进行中心孔加工，所述中心孔直径为190～210毫米，得第二锻件；
将所述第二锻件按中间阶梯方式加热升温至630～660℃，进行第二次回火热处理，保温时间为每100毫米锻件厚度保温3～4小时；
将处理后的第二锻件分阶段空冷至室温；具体为：将处理后的第二锻件以≤10℃/小时的降温速率冷却至590～600℃；随后将锻件垂直吊出热处理炉，完全浸入油槽中冷却100分钟；冷却结束，将锻件吊出油槽，最终冷却后表面温度控制在100℃以内，之后空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的重型燃机透平轮盘锻件的热处理方法，其特征在于，所述将处理后的重型燃机透平轮盘锻件油冷至不高于200℃，得第一锻件的步骤，具体为：
将处理后的重型燃机透平轮盘锻件完全浸入油槽中冷却180分钟，前25～35分钟工件上下窜动，最终冷却后表面温度控制在200℃以内。
3.根据权利要求1所述的重型燃机透平轮盘锻件的热处理方法，其特征在于，所述将所述第一锻件按中间阶梯方式加热升温至550-580℃的步骤，具体为：
将第一锻件置于热处理炉中，按照随炉功率升温至190℃～210℃保温，保温时间为每100毫米锻件厚度保温2～3小时；
保温完成后，将所述热处理炉以≤25℃/小时的升温速率升温至550-580℃。
4.根据权利要求1所述的重型燃机透平轮盘锻件的热处理方法，其特征在于，所述将所述第二锻件按中间阶梯方式加热升温至630～660℃的步骤，具体为：
将第二锻件置于热处理炉中，按照随炉功率升温至190℃～210℃保温，保温时间为每100毫米锻件厚度保温2～3小时；
保温完成后，将所述热处理炉以≤25℃/小时的升温速率升温至630-660℃。
5.根据权利要求1所述的重型燃机透平轮盘锻件的热处理方法，其特征在于，所述重型燃机透平轮盘锻件按中间阶梯方式加热升温至1040～1050℃。
6.根据权利要求1所述的重型燃机透平轮盘锻件的热处理方法，其特征在于，所述处理后的重型燃机透平轮盘锻件油冷至200℃。
7.根据权利要求1所述的重型燃机透平轮盘锻件的热处理方法，其特征在于，所述第一锻件按中间阶梯方式加热升温至560～570℃。
8.根据权利要求1所述的重型燃机透平轮盘锻件的热处理方法，其特征在于，所述第二锻件按中间阶梯方式加热升温至640～650℃。
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