CN112077166B - 一种超超临界汽轮机用高温汽封弹簧的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料领域，涉及一种超超临界汽轮机用高温汽封弹簧的制备方法。本发明针对650～700℃温度范围内汽轮机对汽封弹簧材料的性能要求，设计了一种新的弹簧材料，成分为：Ni～(26‑28)wt％Co～(26‑28)wt％Fe～(13‑14)wt％Cr～(2.5‑3)wt％Al～(1.5‑2)wt％Ti，其中加入的Co和Fe的质量相同，Cr为Co或Fe质量的一半，该成分合金中γ’相的含量达到30％以上，同时γ’相与基体在650‑700℃保持高的界面共格应力，将固溶后的线材进行一定变形量的冷轧再进行绕簧和时效处理，可以进一步提高弹簧的持久强度和疲劳强度。通过成分设计和强化方法的协同运用，可以使得弹簧在650‑700℃的服役温度范围内寿命达到3万小时以上，远高于2.5万小时的工程设计要求。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种超超临界汽轮机用高温汽封弹簧的制备方法。
背景技术
为了避免汽轮机动、静部件之间的碰撞，必须留有适当的间隙，而这些间隙的存在又必然产生漏汽使效率降低，为了解决这一矛盾，在汽轮机动静部件之间的间隙处安装密封装置，即汽封。另外，由于汽缸内部、隔板前后及带反动度的动叶片两侧存在着压差，而相应各动、静部分之间必须保持一定的间隙，这就造成有一定蒸汽漏出或空气漏入汽缸内。为了减少泄漏，在这些相应的位置也安装了汽封。根据不同的汽封位置和工况，采用的汽封结构也不同。其中对于叶片汽封多采用可调式汽封，可调式汽封的汽封齿与转子之间间隙随着蒸汽压力的改变而动态调节，以防止动静之间碰磨，动态调节主要依靠汽封弹簧完成，因此汽封弹簧的可靠性非常重要。汽封弹簧的性能主要取决于其原材料的性能，而原材料的选材则取决于工作温度，目前对于工作温度为540℃的汽封弹簧主要选用Inconel X-750(GH4145)高温合金制作而成。为了进一步提高燃烧电厂的热效率，减少CO2、SOX和NOX的排放，700 ℃等级超超临界(A-USC)电站技术已经成为当前世界上诸如欧洲、美国、日本等一些发达国家发展“高效低耗”煤电机组的重要方向。我国于2011年正式成立“国家700 ℃超超临界燃煤发电技术创新联盟”并组织开展相应的研发工作。汽轮机的蒸汽温度不低于593℃或蒸汽压力不低于31 MPa被称为超超临界汽轮机，对于700 ℃等级超超临界汽轮机的研制，相关部件的选材至关重要。Inconel X-750弹簧对于550℃以下的工况能够很好的满足要求，但是对于650℃以上至700℃的温度范围由于Inconel X-750材料的强度和疲劳性能达不到要求，造成弹簧的可靠性降低，目前能应用于650℃以上的汽封弹簧国内尚属空白，国外也没有公开的选材报导。因此，研发一种在650℃-700℃温度范围内具有合适的弹性模量、高的蠕变强度和疲劳性能的弹簧材料以提高弹簧高温应用的可靠性和寿命成为急需。
发明内容
本发明基于对650℃-700℃温度范围工作的汽封弹簧的工况分析，在现有用材的基础上，发明了一种新的汽封弹簧材料，其基本设计原理是：以镍、铁、钴为基体，然后在此基础上添加一定量的Cr、Ti和Al，再通过固溶和时效处理，可以在基体中析出超过30%（质量比）的γ，相，同时析出相与基体的共格应力较高，并且在700℃以下稳定存在，这样通过大量的γ，析出强化、共格应力强化以及后续形变强化的协同作用可以使得合金材料在650-700℃范围内保持较为稳定的弹性模量、高的高温持久性能、抗应力松弛性能和疲劳性能，能够满足应用要求。
一种超超临界汽轮机用高温汽封弹簧的制备方法，其特征在于：弹簧材料的成分为：Ni～（26-28）wt%Co～（26-28）wt%Fe～（13-14）wt%Cr～（2.5-3）wt%Al～（1.5-2）wt%Ti，弹簧的晶粒尺寸为50-60微米；弹簧的制备工序为合金冶炼、锻造开坯、精密热轧、固溶热处理、冷轧、弹簧绕制、时效强化。
如上所述超超临界汽轮机用高温汽封弹簧的制备方法，具体的制造工艺及要求如下：
（1）合金冶炼：按照合金成分要求，选取原材料，进行真空感应冶炼得到母合金，然后再将母合金进行真空电渣重熔，重熔的真空度小于0.1Pa；
（2）合金锻造：将电渣锭进行锻造；
（3）锻坯热轧：将锻造坯体进行热轧成线材，热轧线材的截面积比最终冷轧后用于绕簧的线材截面积大12~15%；
（4）热轧盘圆固溶：将热轧后的盘圆进行固溶处理；
（5）固溶盘圆冷轧：将固溶后的线材冷轧至成品弹簧线材的直径；由于绕簧过程中线材的直径变化极小，可以忽略不计，因此认为冷轧后线材的直径即为最终弹簧线材的直径；
（6）线材绕制弹簧：将冷轧后的线材在弹簧机上绕制成成品弹簧，成品弹簧的尺寸规格按实际需要确定；
（7）将绕制后的成品弹簧进行时效处理；
（8）将时效处理后的弹簧进行循环压并处理后得到成品弹簧。
进一步地，步骤（2）所述锻造，锻造温度为1200~1250℃，锻造比大于6。
进一步地，步骤（3）所述热轧，轧制温度为1180℃-1200℃。
进一步地，步骤（4）所述固溶处理，固溶温度为1000~1050℃，保温时间60-90min。
进一步地，步骤（7）所述时效处理，时效温度为750~770℃，时效时间为10~12小时。
进一步地，步骤（7）所述循环压并处理，循环压并压力为30-50MPa，循环压并次数为90-110次。
本发明的优点在于：（1）通过成分设计，可以使合金中γ，相的含量达到30%以上，同时γ，相与基体在650-700℃保持高的界面共格应力，使得合金在650到700℃范围内具有稳定的弹性模量，高的疲劳强度和持久强度；（2）将固溶后的线材进行一定变形量的冷轧再进行绕簧和时效处理，可以进一步提高弹簧的持久强度和疲劳强度。通过上述成分设计和强化方法的协同运用，可以使得弹簧在650-700℃的服役温度范围内寿命达到3万小时以上，远高于2.5万小时的工程设计要求。
具体实施方式
实施例1、制备线材直径为1.5mm的高温汽封弹簧
第一步母合金制备，按成分Ni～26wt%Co～26wt%Fe～13wt%Cr～2.5wt%Al～1.5wt%Ti进行配料，再进行真空感应冶炼得到母合金，然后再将母合金进行真空电渣重熔，重熔的真空度小于0.1Pa。
第二步合金锻造：将电渣锭进行锻造，锻造温度为1200℃，锻造比大于6。
第三步锻坯热轧：将锻造坯体进行热轧成线材，轧制温度为1180℃，热轧线材的截面积2mm2。
第四步热轧盘圆固溶：将热轧后的盘圆进行固溶处理，固溶温度为1000℃，保温时间60min。
第五步固溶盘圆冷轧：将固溶后的线材冷轧至直径为1.5mm的线材。
第六步线材绕制弹簧：将冷轧后的线材在弹簧机上按尺寸要求绕制成成品弹簧。
第七步将绕制后的成品弹簧进行时效处理，时效温度为750℃，时效时间为10小时。
第八步，将时效处理后的弹簧在30MPa压力下进行循环压并100次后得到成品弹簧。经测试，在650-700℃的温度范围内弹簧寿命达到3.02万小时，达到工程设计要求。
实施例2、制备线材直径为0.5mm的高温汽封弹簧
第一步合金冶炼：按Ni～28wt%Co～28wt%Fe～14wt%Cr～3wt%Al-2wt%Ti成分配比进行母合金的真空熔炼，然后再将母合金进行真空电渣重熔，重熔的真空度小于0.1Pa。
第二步合金锻造：将电渣锭进行锻造，锻造温度为1250℃，锻造比大于6。
第三步锻坯热轧：将锻造坯体进行热轧成线材，轧制温度为1200℃，热轧线材的截面积为0.22 mm2。
第四步热轧盘圆固溶：将热轧后的盘圆进行固溶处理，固溶温度为1050℃，保温时间90min。
第五步固溶盘圆冷轧：将固溶后的线材冷轧至0.5mm。
第六步线材绕制弹簧：将冷轧后的线材在弹簧机上绕制成成品弹簧。
第七步将绕制后的成品弹簧进行时效处理，时效温度为770℃，时效时间为12小时。
第八步将时效处理后的弹簧在50MPa压力下进行循环压并100次后得到成品弹簧。经测试，在650-700℃的温度范围内弹簧寿命达到3.01万小时，达到工程设计要求。
Claims (6)
1.一种超超临界汽轮机用高温汽封弹簧的制备方法，其特征在于：弹簧材料的成分为：Ni～（26-28）wt%Co～（26-28）wt%Fe～（13-14）wt%Cr～（2.5-3）wt%Al～（1.5-2）wt%Ti，弹簧的晶粒尺寸为50-60微米；弹簧的制备工序为合金冶炼、锻造开坯、精密热轧、固溶热处理、冷轧、弹簧绕制、时效强化；
具体的制造工艺及要求如下：
（1）合金冶炼：按照合金成分要求，选取原材料，进行真空感应冶炼得到母合金，然后再将母合金进行真空电渣重熔，重熔的真空度小于0.1Pa；
（2）合金锻造：将电渣锭进行锻造；
（3）锻坯热轧：将锻造坯体进行热轧成线材，热轧线材的截面积比最终冷轧后用于绕簧的线材截面积大12~15%；
（4）热轧盘圆固溶：将热轧后的盘圆进行固溶处理；
（5）固溶盘圆冷轧：将固溶后的线材冷轧至成品弹簧线材的直径；
（6）线材绕制弹簧：将冷轧后的线材在弹簧机上绕制成成品弹簧，成品弹簧的尺寸规格按实际需要确定；
（7）将绕制后的成品弹簧进行时效处理；
（8）将时效处理后的弹簧进行循环压并处理后得到成品弹簧。
2.如权利要求1所述超超临界汽轮机用高温汽封弹簧的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述锻造，锻造温度为1200~1250℃，锻造比大于6。
3.如权利要求1所述超超临界汽轮机用高温汽封弹簧的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述热轧，轧制温度为1180℃-1200℃。
4.如权利要求1所述超超临界汽轮机用高温汽封弹簧的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述固溶处理，固溶温度为1000~1050℃，保温时间60-90min。
5.如权利要求1所述超超临界汽轮机用高温汽封弹簧的制备方法，其特征在于：步骤（7）所述时效处理，时效温度为750~770℃，时效时间为10~12小时。
6.如权利要求1所述超超临界汽轮机用高温汽封弹簧的制备方法，其特征在于：步骤（8）所述循环压并处理，循环压并压力为30-50MPa，循环压并次数为90-110次。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A Preparation Method for High Temperature Gland Springs Used in Ultra Supercritical Steam Turbines Effective date of registration: 20230901 Granted publication date: 20220520 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited Zhuolu County Branch Pledgor: HEBEI WUWEI AERO & POWER TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2023980054896 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Granted publication date: 20220520 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited Zhuolu County Branch Pledgor: HEBEI WUWEI AERO & POWER TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2023980054896 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Denomination of invention: A Preparation Method for High Temperature Gland Spring for Ultra supercritical Steam Turbine Granted publication date: 20220520 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited Zhuolu County Branch Pledgor: HEBEI WUWEI AERO & POWER TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2024980004331 |