CN110863115A - 一种提高叶片钢X19CrMoNbVN11-1高温持久性能的方法 - Google Patents
一种提高叶片钢X19CrMoNbVN11-1高温持久性能的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种提高叶片钢X19CrMoNbVN11‑1高温持久性能的方法,所述方法包括以下步骤:(1)取叶片钢X19CrMoNbVN11‑1的原料,采用非真空感应炉冶炼加电渣重熔的工艺,重熔成电渣锭,重熔过程中加入质量分数为0.020%的磷和0.010%的灰砷进行熔炼;(2)将步骤(1)所得电渣锭加热后锻造,制成所需棒材或型材;加热温度为1150‑1280℃,开锻温度控制在1000‑1020℃,终锻温度控制在830‑870℃;(3)锻造后直接进行时效处理,其方法为于720℃保温8‑12h,然后降温至650℃保温4‑8h,然后进行空冷。本发明方法会显著提升了其高温持久性能。
Description
技术领域
本发明属于钢的冶炼技术领域,具体涉及一种提高叶片钢X19CrMoNbVN11-1高温持久性能的方法。
背景技术
高温合金材料是指在760-1500℃以上及一定应力条件下进行长期工作的高温金属材料,根据温度条件的不同,高温合金材料可分为三类:760℃高温材料、1200℃高温材料和1500℃高温材料,其抗拉强度可达800MPa。高温合金材料具有优异的高温强度,良好的抗氧化和抗热腐蚀性能,良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能,主要用于制造航空、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、高压压气机盘和燃烧室等高温部件,还用于制造航天飞行器、火箭发动机、核反应堆、石油化工设备以及煤的转化等能源转换装置。
马氏体不锈钢X19CrMoNbVN11-1通常被作为叶片钢材料来使用,其化学成分要求如下:C:0.17~0.23%、Si:≤0.50%、Mn:0.40~0.90%、P:≤0.025%、S:≤0.015%、Cr:10.00~11.50%、Mo:0.50~0.80%、Ni:0.20~0.60%、Cu:≤0.2%、V:0.10~0.30%、Al:≤0.020%、Ti:≤0.020%、Sn:≤0.020%、Pb:≤0.005%、N:0.050~0.10%。该钢种具备较好的力学性能和高温持久性能,能够满足高温合金材料作为叶片钢的使用要求。
然而目前我国对军民用设备如燃气涡轮发动机、火箭发动机等设备的使用要求越来越高,发动机叶片的使用温度有时高达980℃,因而对叶片钢材料的高温持久性能提出了更高的要求,上述叶片钢X19CrMoNbVN11-1现有的高温持久性能已不能很好满足科技的快速发展需求,迫切需要提供具有更高高温持久性能的合金材料产品。因此如何提高叶片钢X19CrMoNbVN11-1材料的高温持久性能成为目前人们迫切渴望解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述技术问题,而提供一种提高叶片钢X19CrMoNbVN11-1高温持久性能的方法。本发明提供的方法很好地解决了这一技术问题,显著提高了现有叶片钢X19CrMoNbVN11-1材料的高温持久性能,同时该钢种的力学性能也得到了一定程度的提升,能够更好满足现有的叶片钢材料在高温使用上的需求。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种提高叶片钢X19CrMoNbVN11-1高温持久性能的方法,所述方法包括以下步骤:
(1)取叶片钢X19CrMoNbVN11-1的原料,采用非真空感应炉冶炼加电渣重熔的工艺,重熔成电渣锭,重熔过程中加入质量分数为0.020%的磷和0.010%的灰砷进行熔炼;
(2)将步骤(1)所得电渣锭加热后锻造,制成所需棒材或型材;加热温度为1150-1280℃,开锻温度控制在1000-1020℃,终锻温度控制在830-870℃;
(3)锻造后直接进行时效处理,其方法为于720℃保温8-12h,然后降温至650℃保温4-8h,然后进行空冷。
本发明采用的上述方法,一方面在电渣重熔过程中加入了磷和灰砷,通过该工艺的改进,能够很好有助于提高叶片钢X19CrMoNbVN11-1的高温持久性能。由于磷在钢中的溶解度极低,而倾向于在晶界或位错等缺陷处偏聚,磷在晶界上偏聚,优选占据了缺陷位置,从而阻碍了使用过程中氧的扩散,降低了形成氧化物的速率,抑制了晶界裂纹的萌生和扩展,从而提高了合金的高温持久寿命。发明人发现通过加入一定量的灰砷,能够起到促进磷占据缺陷位置,更好地提高了叶片钢的高温持久性能。另一方面,本发明结合合理的锻造工艺和热处理工艺,通过本发明的锻造和热处理,更好地提升了该叶片钢X19CrMoNbVN11-1材料的高温持久性能。
进一步的是,所述叶片钢X19CrMoNbVN11-1的原料元素组成包括:C:0.18~0.20%、Si:≤0.50%、Mn:0.50~0.60%、P:≤0.023%、S:≤0.015%、Ni:0.30~0.50%、Cr:10.20~10.50%、N:0.050~0.10%、B:0.008~0.012%、Al:≤0.020%、Mo:0.55~0.70%、Cu:≤0.15%、V:0.15~0.30%、Nb:0.35~0.45%、Ti:≤0.020%、Sn:≤0.020%、Pb:≤0.005%。
进一步的是,所述电渣重熔的渣系为:CaF2:55-63%、Al2O3:12-18%、MgO:2-7%、SiO2:5-7%、B2O3:12-18%。
进一步的是,所述电渣重熔的渣系为:CaF2:58%、Al2O3:17%、MgO:5%、SiO2:7%、B2O3:13%。
本发明通过对重熔渣系的调整,提高了电渣钢锭的质量,进一步提升了其力学性能和高温性能。
进一步的是,电渣重熔过程中控制电流6500±100A,电压60±5V。
进一步的是,于非真空感应炉中冶炼的温度为1550~1650℃。
进一步的是,步骤(2)中所述加热温度为1250℃,开锻温度控制在1000℃,终锻温度控制在830℃。
进一步的是,步骤(3)中于720℃保温10h,然后降温至650℃保温4h。
与现有技术相比,本发明的有益效果如下:
(1)本发明方法很好地提高了叶片钢X19CrMoNbVN11-1的高温持久性能,在应力340MPa、温度1000℃下,持久断裂时间≥150小时;
(2)本发明方法提高了叶片钢X19CrMoNbVN11-1的力学性能,其在室温下的抗拉强度可达到1120N/mm2以上,屈服强度可达960N/mm2以上,延伸率大于15%,断面收缩率大于45%;
(3)本发明方法还提高了该叶片钢X19CrMoNbVN11-1锻造的成材率。
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
一种提高叶片钢X19CrMoNbVN11-1高温持久性能的方法,包括以下步骤:
(1)取叶片钢X19CrMoNbVN11-1的原料,采用非真空感应炉冶炼加电渣重熔的工艺,重熔成15kg的电渣锭,重熔过程中加入质量分数为0.020%的磷和0.010%的灰砷进行熔炼;
(2)将步骤(1)所得电渣锭加热后锻造,制成所需棒材或型材;加热温度为1150℃,开锻温度控制在1020℃,终锻温度控制在850℃;
(3)锻造后直接进行时效处理,其方法为于720℃保温12h,然后降温至650℃保温8h,然后进行空冷。
所述叶片钢X19CrMoNbVN11-1的原料元素组成包括:C:0.18%、Si:0.40%、Mn:0.50%、P:0.023%、S:0.015%、Ni:0.30%、Cr:10.20%、N:0.050%、B:0.008%、Al:0.020%、Mo:0.55%、Cu:0.15%、V:0.15%、Nb:0.35%、Ti:0.020%、Sn:0.020%、Pb:0.005%;电渣重熔的渣系为:CaF2:55%、Al2O3:18%、MgO:4%、SiO2:5%、B2O3:18%,电渣重熔过程中控制电流6500A,电压60V;于非真空感应炉中冶炼的温度为1550℃。
实施例2
一种提高叶片钢X19CrMoNbVN11-1高温持久性能的方法,包括以下步骤:
(1)取叶片钢X19CrMoNbVN11-1的原料,采用非真空感应炉冶炼加电渣重熔的工艺,重熔成12kg的电渣锭,重熔过程中加入质量分数为0.020%的磷和0.010%的灰砷进行熔炼;
(2)将步骤(1)所得电渣锭加热后锻造,制成所需棒材或型材;加热温度为1280℃,开锻温度控制在1020℃,终锻温度控制在870℃;
(3)锻造后直接进行时效处理,其方法为于720℃保温8h,然后降温至650℃保温4h,然后进行空冷。
所述叶片钢X19CrMoNbVN11-1的原料元素组成包括:C:0.20%、Si:0.50%、Mn:0.60%、P:0.010%、S:0.010%、Ni:0.50%、Cr:10.50%、N:0.10%、B:0.012%、Al:0.020%、Mo:0.70%、Cu:0.15%、V:0.30%、Nb:0.45%、Ti:0.020%、Sn:0.020%、Pb:0.005%;电渣重熔的渣系为:CaF2:63%、Al2O3:12%、MgO:7%、SiO2:6%、B2O3:12%,电渣重熔过程中控制电流6400A,电压55V;于非真空感应炉中冶炼的温度为1650℃。
实施例3
一种提高叶片钢X19CrMoNbVN11-1高温持久性能的方法,包括以下步骤:
(1)取叶片钢X19CrMoNbVN11-1的原料,采用非真空感应炉冶炼加电渣重熔的工艺,重熔成13kg的电渣锭,重熔过程中加入质量分数为0.020%的磷和0.010%的灰砷进行熔炼;
(2)将步骤(1)所得电渣锭加热后锻造,制成所需棒材或型材;加热温度为1250℃,开锻温度控制在1000℃,终锻温度控制在830℃;
(3)锻造后直接进行时效处理,其方法为于720℃保温10h,然后降温至650℃保温4h,然后进行空冷。
所述叶片钢X19CrMoNbVN11-1的原料元素组成包括:C:0.185%、Si:0.50%、Mn:0.55%、P:0.020%、S:0.015%、Ni:0.45%、Cr:10.30%、N:0.070%、B:0.010%、Al:0.020%、Mo:0.650%、Cu:0.15%、V:0.25%、Nb:0.38%、Ti:0.020%、Sn:0.020%、Pb:0.005%;电渣重熔的渣系为:CaF2:58%、Al2O3:17%、MgO:5%、SiO2:7%、B2O3:13%,电渣重熔过程中控制电流6500±100A,电压60±5V;于非真空感应炉中冶炼的温度为1580℃。
对比例1
将实施例3中重熔过程中添加的0.010%灰砷去除,其他工艺不变。
对比例2
将实施例3中重熔过程中添加的磷提升为0.023%,去掉0.010%的灰砷,其他工艺不变。
实验例1
对实施例1-3和对比例1所得合金材料进行力学性能检测,包括室温拉伸性能和高温持久性能,检测结果如下(表1-表2):
表1室温(25℃)拉伸性能
表2高温(应力340MPa、温度1000℃)持久性能
检测项目 | 持久断裂时间(h) |
实施例1 | 150 |
实施例2 | 152 |
实施例3 | 158 |
对比例1 | 136 |
对比例2 | 138 |
从上述结果可以看出,本发明方法制备得到的叶片钢X19CrMoNbVN11-1具有优异的力学性能和高温持久性能。
Claims (8)
1.一种提高叶片钢X19CrMoNbVN11-1高温持久性能的方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
(1)取叶片钢X19CrMoNbVN11-1的原料,采用非真空感应炉冶炼加电渣重熔的工艺,重熔成电渣锭,重熔过程中加入质量分数为0.020%的磷和0.010%的灰砷进行熔炼;
(2)将步骤(1)所得电渣锭加热后锻造,制成所需棒材或型材;加热温度为1150-1280℃,开锻温度控制在1000-1020℃,终锻温度控制在830-870℃;
(3)锻造后直接进行时效处理,其方法为于720℃保温8-12h,然后降温至650℃保温4-8h,然后进行空冷。
2.根据权利要求1所述的提高叶片钢X19CrMoNbVN11-1高温持久性能的方法,其特征在于,所述叶片钢X19CrMoNbVN11-1的原料元素组成包括:C:0.18~0.20%、Si:≤0.50%、Mn:0.50~0.60%、P:≤0.023%、S:≤0.015%、Ni:0.30~0.50%、Cr:10.20~10.50%、N:0.050~0.10%、B:0.008~0.012%、Al:≤0.020%、Mo:0.55~0.70%、Cu:≤0.15%、V:0.15~0.30%、Nb:0.35~0.45%、Ti:≤0.020%、Sn:≤0.020%、Pb:≤0.005%。
3.根据权利要求1所述的提高叶片钢X19CrMoNbVN11-1高温持久性能的方法,其特征在于,所述电渣重熔的渣系为:CaF2:55-63%、Al2O3:12-18%、MgO:2-7%、SiO2:5-7%、B2O3:12-18%。
4.根据权利要求3所述的提高叶片钢X19CrMoNbVN11-1高温持久性能的方法,其特征在于,所述电渣重熔的渣系为:CaF2:58%、Al2O3:17%、MgO:5%、SiO2:7%、B2O3:13%。
5.根据权利要求1所述的提高叶片钢X19CrMoNbVN11-1高温持久性能的方法,其特征在于,电渣重熔过程中控制电流6500±100A,电压60±5V。
6.根据权利要求1所述的提高叶片钢X19CrMoNbVN11-1高温持久性能的方法,其特征在于,于非真空感应炉中冶炼的温度为1550~1650℃。
7.根据权利要求1所述的提高叶片钢X19CrMoNbVN11-1高温持久性能的方法,其特征在于,步骤(2)中所述加热温度为1250℃,开锻温度控制在1000℃,终锻温度控制在830℃。
8.根据权利要求1所述的提高叶片钢X19CrMoNbVN11-1高温持久性能的方法,其特征在于,步骤(3)中于720℃保温10h,然后降温至650℃保温4h。
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