CN113953422B - 一种燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢及其制备方法 - Google Patents
一种燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢及其制备方法，属于金属材料加工技术领域。本发明提供的燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢的制备方法包括：将待处理22Cr12NiWMoV钢锭依次进行分段式加热、锻造和锻后热处理，得到燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢。本发明通过采用锻前分段加热方式以及控制锻造时的锻造参数，能够使制备得到的燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢具有优良室温和高温力学性能，同时晶粒细小，非金属夹杂少，且制备方法简单易行，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料加工技术领域，尤其涉及一种燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢及其制备方法。
背景技术
目前，我国大力发展新能源以代替不可再生能源，其中对气能的发展越来越重视，燃气轮机除了替代燃煤机组，减轻碳排放压力之外，其最大的功能是国家电网运行平衡安全与调节峰值的保障，因此，重型燃气轮机一直是被列为先进装备制造业“皇冠上的明珠”。由于重型燃气轮机本身使用工况与条件苛刻，而且随着对气能的重型燃气轮机的发展比例越来越重，对其综合性能也提出了更为严苛的要求。
而22Cr12NiWMoV钢是制备燃气轮机的新型材料，但是由于燃气轮机各部件外型复杂且体积大，传统工艺更为复杂且参数难以控制，在制备时难以锻透，从而其晶粒度较低、杂质相较多，难以使22Cr12NiWMoV钢得力学性能有较大提升。同时，燃气机轮通常在高温工况下运行，其耐高温的性能也需要满足较高的要求才能保证其安全运行，而22Cr12NiWMoV中由于含有较多合金化元素，在高温环境下稳定性较差，难以达到较高的高温强度。因此，亟须提供一种燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢的生产方法以满足我国对燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢的室温和高温力学性能的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢及其制备方法，本发明提供的制备方法制备的燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢不仅在室温下具有较高的强度、硬度、韧性和塑性，而且在高温下也具有较高的强度。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢的制备方法，包括：
将待处理22Cr12NiWMoV钢锭依次进行分段式加热、锻造和锻后热处理，得到燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢；
所述分段式加热包括预热段、加热段和均热段；
所述锻造包括依次进行的强压和压方；所述强压在砧板上进行；所述强压的总变形量为70％以上；所述强压时的每次压下的搭接量为砧板宽度的8～12％。
优选地，所述预热段的保温温度为500～550℃，预热段的保温时间为3～5h。
优选地，所述加热段的保温温度为700～900℃，加热段的保温时间为6～10h。
优选地，所述均热段的保温温度为1150～1250℃，均热段的保温时间为4～8h。
优选地，所述强压时每次压下变形量为12～18％，所述强压的压下次数为8～14次。
优选地，所述强压时的初始砧宽比≥0.5。
优选地，所述锻后热处理为退火处理或调质处理。
优选地，所述退火处理的温度为820～960℃，所述退火处理的保温时间为8～12h。
优选地，所述调质处理包括淬火和回火；所述淬火前的保温温度为1015～1055℃，在所述淬火前的保温温度下的保温时间为0.8～1.2h；所述回火的温度为680～700℃，回火的保温时间为2.5～3.5h。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法制备得到的燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢。
本发明提供了一种燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢的制备方法，包括：将待处理22Cr12NiWMoV钢锭依次进行分段式加热、锻造和锻后热处理，得到燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢；所述分段式加热包括预热段、加热段和均热段；所述锻造包括依次进行的强压和压方；所述强压在砧板上进行；所述强压的总变形量为70％以上；所述强压时的每次压下的搭接量为砧板宽度的8～12％。本发明通过首先对待处理22Cr12NiWMoV钢锭进行分段式加热处理，可以减少钢锭中的元素偏析，消除铸造应力，并且降低其抵抗锻造变形的应力，从而避免在后续锻造时发生裂纹扩展而引起开裂问题，有效细化晶粒，均匀组织；同时，在锻造阶段通过控制锻造的总变形量和每次压下的搭接量不仅可以有效使钢锭中的缩松、缩孔和微裂纹等闭合，而且还可以使含夹杂物的粗大晶粒不断破碎，并钉扎在晶界处阻碍晶粒生长，使钢锭锻实、锻透，组织更加致密，晶粒更加细化，从而进一步提高燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢的力学性能，并降低夹杂物的夹杂等级；最后通过锻造热处理，消除变形应力，并使变形组织发生再结晶，进一步细化晶粒尺寸，得到晶粒度更高的组织，从而有效提高燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢的室温和高温下的力学性能。
实施例的结果表明，本发明提供的制备方法制备的燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢在室温下的抗拉强度为912MPa，屈服强度为786MPa，断后伸长率为15％，断面收缩率为45％，平均冲击吸收功KV2为56J，调质硬度为325HBW，退火硬度为255HBW。低倍组织级别：一般疏松级别为1.0，中心疏松级别为1.0，锭型偏析级别为1.5；非金属夹杂物级别：脆性夹杂物级别为1.5，塑性夹杂物级别为2.0，级别总和为3.5；调质后晶粒度级别为5级。按GB/T6402《钢锻件超声检测方法》标准进行超声波检验，未发现内在缺陷，且表面光滑平整，轻微打磨，没有目视可见的裂纹、结疤、折叠及夹杂等缺陷。
此外，试制结果表明，本发明提供的制备方法制备的燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢经试制共3火次完成，比常规锻造减少1～2火次，缩短锻造时间20～40％，降低生产成本10％以上，生产效率提高30％以上。可见，本发明提供的制备方法工艺简单，安全可控，成本低，可实现规模化生产。
具体实施方式
本发明提供了一种燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢的制备方法，包括：
将待处理22Cr12NiWMoV钢锭依次进行分段式加热、锻造和锻后热处理，得到燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢；所述分段式加热包括预热段、加热段和均热段；所述锻造包括依次进行的强压和压方；所述强压在砧板上进行；所述强压的总变形量为70％以上；所述强压时的每次压下的搭接量为砧板宽度的8～12％。
本发明将待处理22Cr12NiWMoV钢锭进行分段式加热，得到锻前热处理22Cr12NiWMoV钢锭。
本发明对所述待处理22Cr12NiWMoV钢锭的成分没有特殊要求，采用本领域熟知的市售22Cr12NiWMoV钢即可。
在本发明中，所述待处理22Cr12NiWMoV钢锭在进行分段式加热前优选包括依次进行的精炼和打磨。本发明对所述的精炼没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的精炼不锈钢的方法即可。本发明对所述的打磨没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的打磨方式使铸锭表面的裂纹、结疤、翻皮等缺陷消除，保证钢锭表面具有较好的表面质量即可。
在本发明中，所述分段式加热包括预热段、加热段和均热段。
在本发明中，所述分段式中的预热段的保温温度优选为500～550℃，更优选为520～530℃；所述预热段的保温时间优选为3～5h，更优选为3.5～4.5h，最优选为4h。本发明通过预热段并将其保温温度和保温时间控制在上述范围内，可以使钢锭首先在低温区域进行预热，减少钢锭内外的温度应力，不使燃气轮机用待处理大型钢锭外部和内部温度应力过大而产生裂纹。
在本发明中，升温至所述预热段的升温速率优选为80～100℃/h，更优选为90℃/h。本发明通过控制升温至所述预热段的升温速率在上述范围内，可以避免燃气轮机用待处理大型钢锭表面长时间受热而心部受热时间短导致表面脱碳、氧化等问题，保证钢锭受热更均匀。
在本发明中，所述分段式中的加热段的保温温度优选为700～900℃，更优选为750～850℃，最优选为800℃；所述加热段的保温时间优选为6～10h，更优选为7～9h，最优选为8h。发明通过加热段并将其保温温度和保温时间控制在上述范围内，可以使钢锭在中温区均匀热透，内外温度趋于一致，热应力最小，同时，在达到所述加热段的保温温度并热透后，钢锭进入塑性区，为最终均热段做好准备。
在本发明中，由所述预热段升温至所述加热段的升温速率优选为80～110℃/h，更优选为90℃/h。
在本发明中，所述分段式中的均热段的保温温度优选为1150～1250℃，更优选为1200℃；所述均热段的保温时间优选为4～8h，更优选为5～7h，最优选为6h。本发明对由所述加热段升温至所述均热段的升温速率没有特殊要求。本发明通过控制均热段的保温温度和保温时间在上述范围内，可在加热均热段温度，钢锭表面温度不再升高，而心部温度逐渐上升，在上述保温时间内可以使钢锭内、外部温度达到一致，从而使燃气轮机待锻造大型钢锭组织内、外部均处于塑性区，经锻造时可以承受更大的塑性变形量，使心部也得以变形并使晶粒细化，有效提高燃气轮机用锻圆钢的力学性能。
得到锻前热处理22Cr12NiWMoV钢锭后，本发明将所述锻前热处理22Cr12NiWMoV钢锭进行锻造处理，得到22Cr12NiWMoV锻件。
在本发明中，所述锻造的始锻温度优选为所述分段式加热的均热段保温温度。
在本发明中，所述锻造的终锻温度优选为850～950℃，更优选为900℃。
在本发明中，所述锻造包括依次进行的强压和压方。本发明在锻造阶段的塑性变形主要在强压阶段阶段完成，在压方阶段主要是为后续锻造成型做好尺寸准备。
在本发明中，所述强压在砧板上进行。本发明通过在砧板上进行强压采用的是WHF锻造法，更有利于燃气轮机用大型锻件在锻造过程中锻透、锻实，有效细化晶粒，提高锻件的力学性能。
在本发明中，所述强压的总变形量为70％以上，优选为70～90％，更优选为75～85％，最优选为80％。本发明通过将强压的总变形量控制在上述范围内，更有利于钢锭在锻造中获得较大的变形量，晶粒更加细化。
在本发明中，所述强压时的每次压下的搭接量为砧板宽度的8～12％，优选为9～11％，更优选为10％。本发明通过强压时的每次进给的搭接量在上述范围内，可以较少的压下次数条件下获得更大的每次压下量，提高锻造效率，同时也更有利于锻透、锻实。
在本发明中，所述强压时每次压下优选变形量为12～18％，更优选为14～16％，最优选为15％；所述强压的压下次数优选为8～14次，更优选为10～12次。本发明通过控制强压时每次压下量和压下次数在上述范围内，可以使锻造开坯的变形更加充分，使钢锭心部也能够获得较大的变形量，晶粒更加细化。
在本发明中，所述强压时优选在每次压下后将钢锭翻转90°再进行下一次压下。本发明通过在强压时的每次压下后进行90°的翻转，可以使变形钢锭更充分压实锻透。
在本发明中，所述强压时的初始砧宽比优选为≥0.5，更优选为0.6～0.9。本发明通过控制砧板的起始砧宽比在上述范围内，更有利于大型锻件充分变形。
本发明对所述锻造时的压方操作没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的压方操作使经过强压的钢件压制成所需形状及尺寸即可。
在本发明中，所述锻造完成后还优选包括模具成形；所述模具成形优选在模具中摔圆成形；所述模具优选包括上弧形砧和下弧形砧。本发明通过在模具中经过摔圆成形并选择上弧形砧和下弧形砧组成的模具，更有利于变形钢件形成截面为规整圆形的锻圆材料。
在本发明中，所述模具成形的温度优选为850～1000℃，更优选为900～950℃。本发明通过在上述温度下进行最终的模具成形，可以更大程度地降低变形抗力，使锻圆易得到平整光滑的表面，同时保证锻件能够保持细小的晶粒尺寸，防止晶粒再次长大。
得到22Cr12NiWMoV锻件后，本发明将所述的22Cr12NiWMoV锻件进行锻后热处理，得到燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢。
在本发明中，所述锻后热处理优选为退火处理或调质处理。
在本发明中，所述退火处理的温度优选为820～960℃，更优选为850～900℃；所述退火处理的保温时间优选为8～12h，更优选为9～10h。本发明通过控制退火处理的温度和时间在上述范围内，可以有效消除锻造过程的变形应力，稳定锻件尺寸，同时使变形锻件在退火中获得再结晶，晶粒进一步细化，力学性能显著提高。
在本发明中，所述退火处理的冷却方式优选为随炉冷却至≤350℃出炉空冷至室温。
在本发明中，所述调质处理优选包括淬火和回火；所述淬火前的保温温度优选为1015～1055℃，更优选为1020～1050℃，最优选为1040℃；在所述淬火前的保温温度下的保温时间优选为0.8～1.2h，更优选为0.9～1.1h，最优选为1h；在本发明中，所述淬火的冷却方式优选为油冷。
本发明对升温至所述淬火前的保温温度的升温速率没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的淬火前的加热方式加热至保温温度即可。
在本发明中，所述回火的升温速率优选为80～110℃/h，更优选为90℃/h。
在本发明中，所述回火的冷却方式优选为随炉冷却至≤350℃出炉空冷至室温。本发明通过采用上述冷却方式，能够使变形后的细小晶粒稳定保持，防止冷却速率过高而导致开裂或形成白点。
本发明提供的制备方法制备的燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢在室温和高温下均具有良好的力学性能，而且工艺简单，安全可控，成本低，可实现规模化生产。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法制备得到的燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢的制备方法，由以下步骤组成：将待处理22Cr12NiWMoV钢锭依次进行分段式加热、锻造、模具成形和锻后热处理，得到燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢。
首先，将待处理22Cr12NiWMoV钢锭进行精炼并打磨去除表面缺陷，然后进行分段式加热，得到锻前热处理22Cr12NiWMoV钢锭。分段式加热为预热段、加热段和均热段，具体为：将待处理22Cr12NiWMoV钢锭在室温下装进天然气加热炉中，以90℃/h的升温速率升温至860℃的预热段保温温度，并在预热段温度下保温7～12h，随后再以90℃/h的升温速率升温至1100℃的加热段的保温温度，并在加热段温度下保温7～12h，最后再以90℃/h的升温速率升温至1200℃的均热段保温温度，并在均热段温度下保温7～12h。
其次，将上述锻前热处理22Cr12NiWMoV钢锭进行锻造(锻造具体参数也可见表1)，得到22Cr12NiWMoV锻件。锻造的始锻温度为直接在均热段的保温温度下进行，即1200℃，且锻造为依次进行的强压和压方；强压在砧板上进行，初始砧宽比为0.57；强压时的每次压下的搭接量为砧板宽度的10％，每次压下的变形量为15％，在每次压下后将钢锭翻转90°再进行下一次压下，压下次数为12次；强压的总变形量为75％；随后进行压方压。最后在900℃的温度下进行模具成形，即在由上弧形砧和下弧形砧组成的模具中经摔圆成形。
最后，将上述22Cr12NiWMoV锻件进行锻后热处理，得到燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢。锻后热处理为调质热处理，即先在1020℃下保温1h，保温结束后立即油冷至650℃再空冷至室温，得到燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢。
实施例2
将实施例1中的锻造时的强压中的起始砧宽比替换为0.62，且锻造时的强压具体参数参见表2，其余技术特征与实施例1相同。
实施例3
将实施例1中的锻造时的强压中的起始砧宽比替换为0.73，且锻造时的强压具体参数参见表3，其余技术特征与实施例1相同。
实施例4
将实施例1中的锻造时的强压中的起始砧宽比替换为0.63，且锻造时的强压具体参数参见表4，其余技术特征与实施例1相同。
实施例5
将实施例1中的锻造时的强压中的起始砧宽比替换为0.80，且锻造时的强压具体参数参见表5，其余技术特征与实施例1相同。
表1实施例1锻造时的强压具体参数
表2实施例2锻造时的强压具体参数
表3实施例3锻造时的强压具体参数
表4实施例4锻造时的强压具体参数
表5实施例5锻造时的强压具体参数
性能检测
依据GB/T 228.1标准中金属材料拉伸试验第一部分的室温试验方法，并采用微机控制电液伺服万能试验机试验设备测试实施例1制备得到的锻圆材料的室温力学性能，测试结果为：室温下的抗拉强度为912MPa，屈服强度为786MPa，断后伸长率为15％，断面收缩率为45％。
依据GB/T 229标准中金属材料夏比摆锤冲击试验方法，并采用摆锤式冲击试验机试验设备测试实施例1制备得到的锻圆材料的冲击吸收功，平均冲击吸收功KV2为56J。
依据GB/T 231.1标准中金属材料布氏硬度试验第一部分的硬度试验方法，并采用数显布氏硬度机测试实施例1制备得到的锻圆材料的布氏硬度，测试结果为：调质硬度为325HBW。依据GB/T 6394标准中金属平均晶粒度测定法测试实施例1制备得到的锻圆材料的晶粒度，调质后晶粒度级别为5级。
依据GB/T 10561标准中的钢中非金属夹杂物含量的测定-标准评级图显微检验法，并采用金相显微镜测定实施例1制备得到的锻圆材料的非金属夹杂物等级，测试结果为；非金属夹杂物级别：脆性夹杂物级别为1.5，塑性夹杂物级别为2.0，级别总和为3.5。
按GB/T 6402《钢锻件超声检测方法》标准进行超声波检验，未发现内在缺陷，且表面光滑平整，轻微打磨，没有目视可见的裂纹、结疤、折叠及夹杂等缺陷。
将实施例1的样品进行酸浸低倍组织观察，本发明提供的制备方法制备的燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢的低倍组织级别：一般疏松级别为1.0，中心疏松级别为1.0，锭型偏析级别为1.5。
此外，实施例1～5制备的燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢经浙江大隆特材有限公司进行生产，结果表明，本发明提供的制备方法制备的燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢经试制共3火次完成，比常规锻造减少1～2火次，缩短锻造时间20～40％，降低生产成本10％以上，生产效率提高30％以上。可见，本发明提供的制备方法工艺简单，安全可控，成本低，可实现规模化生产。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢的制备方法，包括：
将待处理22Cr12NiWMoV钢锭依次进行分段式加热、锻造和锻后热处理，得到燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢；
所述分段式加热包括预热段、加热段和均热段；
所述锻造包括依次进行的强压和压方；所述强压在砧板上进行；所述强压的总的变形量为70％以上；所述强压时的每次压下的搭接量为砧板宽度的8～12％；
所述锻后热处理为调质处理；所述调质处理为淬火和回火；所述淬火前的保温温度为1015～1055℃，在所述淬火前的保温温度下的保温时间为0.8～1.2h；所述回火的温度为680～700℃，回火的保温时间为2.5～3.5h；
所述预热段的保温温度为500～550℃，预热段的保温时间为3～5h；
所述加热段的保温温度为700～900℃，加热段的保温时间为6～10h；
所述均热段的保温温度为1150～1250℃，均热段的保温时间为4～8h；
升温至所述预热段的升温速率为80～100℃/h；由所述预热段升温至所述加热段的升温速率为80～110℃/h；
所述强压时每次压下变形量为12～18％，所述强压的压下次数为8～14次。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述强压时的初始砧宽比≥0.5。
3.一种如权利要求1～2任一项所述的制备方法制备得到的燃气轮机用22Cr12NiWMoV锻圆钢。
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