CN114438402B - 用于低温高酸性工况的能量回收透平叶片材料及制备方法 - Google Patents
用于低温高酸性工况的能量回收透平叶片材料及制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114438402B CN114438402B CN202111597965.XA CN202111597965A CN114438402B CN 114438402 B CN114438402 B CN 114438402B CN 202111597965 A CN202111597965 A CN 202111597965A CN 114438402 B CN114438402 B CN 114438402B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- percent
- less
- equal
- temperature
- equivalent
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/02—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
- B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
- B21J5/002—Hybrid process, e.g. forging following casting
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
- C21D6/004—Heat treatment of ferrous alloys containing Cr and Ni
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
- C21D6/005—Heat treatment of ferrous alloys containing Mn
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
- C21D6/007—Heat treatment of ferrous alloys containing Co
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
- C21D6/008—Heat treatment of ferrous alloys containing Si
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
- C21D6/02—Hardening by precipitation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
- C21D8/005—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment of ferrous alloys
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C33/00—Making ferrous alloys
- C22C33/04—Making ferrous alloys by melting
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/001—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing N
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/06—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing aluminium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/42—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with copper
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/44—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with molybdenum or tungsten
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/46—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with vanadium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/48—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with niobium or tantalum
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/50—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with titanium or zirconium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/52—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with cobalt
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
- C21D2211/008—Martensite
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
- Heat Treatment Of Articles (AREA)
Abstract
本发明属于能量回收透平叶片材料及制备方法,为解决目前能量回收透平装置中叶片采用17‑4PH材料,虽然成本低,但抗低温高酸性物质腐蚀性能较差,钛合金材料又成本极高的技术问题,提供一种用于低温高酸性工况的能量回收透平叶片材料及制备方法,叶片材料的成分以重量百分比计包括:0.03%≤C≤0.055%;0<Si≤0.7%;0.55%≤Mn<1.3%;0<P<0.025%;0<S<0.015%;11.5%≤Cr≤14.0%;3.5%≤Ni≤4.5%;1.2%≤Mo≤1.6%;1.5%≤Cu≤2.3%;0<Nb≤0.35%;0<V≤0.05%;0<Al≤0.10%;0<Co≤0.10%;0<Nb、Ti和V≤0.50%;0.02%≤N≤0.065%,其余为Fe。另外,Ni当量小于9.2,Cr当量小于18.7,且Ni当量与Cr当量的比值大于0.42小于0.48。通过冶炼、锻造、锻后热处理和性能热处理进行制备。
Description
技术领域
本发明属于能量回收透平叶片材料及制备方法,具体涉及一种于低温高酸性工况的能量回收透平叶片材料及制备方法。
背景技术
能量回收透平装置,是将高炉冶炼中产生的压力能和热能进行回收,转化为机械能,再将机械能转化为电能的装置。
能量回收透平装置利用的工况介质为高炉煤气,即该装置在高速、含有高炉炉尘及有腐蚀性的气体介质条件下工作,工况复杂且工作周期长。即使经过前序的除尘过滤装置,仍然会残留一定量的炉尘、水气,以及因高炉原料不纯而产生的多种酸性组分,如SO2、SO3、H2S、HCl等。当温度降低至组分露点以下时,工况环境中会有水分析出,产生的酸性组分溶于水后与尘粒混合(包括Cl-、CO3 2-、Fe3+、Ca2+、Mg2+等),会形成具有较强高酸性的腐蚀物质。
目前,在介质温度较高、酸性较弱时,叶片一般选用17-4PH材料。当介质温度较低、酸性较强时,叶片选用钛合金材料,例如TC4。但是,由于钛合金成本极高,因此,缺乏抗低温高酸性物质腐蚀性能优于17-4PH,且成本低于钛合金的材料供设计人员选材。
发明内容
本发明为解决目前能量回收透平装置中的叶片在选材时,17-4PH材料成本低,但抗低温高酸性物质腐蚀性能较差,钛合金材料虽抗低温高酸性物质腐蚀性能较优,但成本极高的技术问题,提供一种于低温高酸性工况的能量回收透平叶片材料及制备方法。
为达到上述目的,本发明采用以下技术方案予以实现:
一种用于低温高酸性工况的能量回收透平叶片材料,其特殊之处在于,所述能量回收透平叶片材料的成分以重量百分比计包括:
0.03%≤C≤0.055%;0<Si≤0.7%;0.55%≤Mn<1.3%;0<P<0.025%;0<S<0.015%;11.5%≤Cr≤14.0%;3.5%≤Ni≤4.5%;1.2%≤Mo≤1.6%;1.5%≤Cu≤2.3%;0<Nb≤0.35%;0<V≤0.05%;0<Al≤0.10%;0<Co≤0.10%;0<Nb、Ti和V≤0.45%;0.02%≤N≤0.060%,其余为Fe;
其中,Ni当量小于9.2,Cr当量小于18.7,且Ni当量与Cr当量的比值大于0.42小于0.48;
所述Ni当量表示奥氏体形成元素的总含量,Ni当量=Ni+Co+0.5Mn+0.3Cu+25N+30C;所述Cr当量表示铁素体形成元素的总含量,Cr当量=Cr+1.5Mo+2Si+1.75Nb+5V+5.5Al+1.5Ti+0.75W。
进一步地,成分以重量百分比计包括:C:0.055%,Si:0.3%,Mn:0.55%,P:0.02%,S:0.003%,Cr:14%,Ni:4%,Mo:1.5%,Cu:1.5%,Nb:0.35%,V:0.05%,Al:0.1%,Co:0.1%,Nb+Ti+V:0.45%,N:0.06%,其余为Fe。
另外,本发明还提供了一种上述用于低温高酸性工况的能量回收透平叶片材料的制备方法,其特殊之处在于,包括以下步骤:
S1,按照所述能量回收透平叶片材料的成分及其重量百分比称取原料;
S2,对称取的原料进行冶炼和铸造,获得一次钢锭;
S3,在真空状态下对一次钢锭进行二次冶炼和浇注,获得二次钢锭;
S4,将二次钢锭在其奥氏体单相区内进行锻造,冷却至室温,得到锻件;
S5,对锻件进行重结晶冷却;
S6,对经步骤S5重结晶冷却后的锻件依次进行固溶热处理、调整热处理和时效热处理,得到马氏体不锈钢类的能量回收透平叶片材料。
进一步地,步骤S4中,所述将二次钢锭在其奥氏体单相区内进行锻造,具体为,将奥氏体单相区的初锻温度设置为1120-1180℃,终锻温度设置为880-1000℃,使二次钢锭在其奥氏体单相区内进行至少三次镦拔,且末火次变形量大于45%,锻造比为5-7。
进一步地,步骤S5中,所述重结晶的温度为640-660℃。
进一步地,步骤S6中,所述固溶热处理具体为,使经步骤S5重结晶冷却后的锻件在小于500℃的温度下入炉,加热至1030-1050℃,保温2-10h,出炉油冷至低于150℃。
进一步地,步骤S6中,所述调整热处理具体为,使经过固溶热处理后的锻件在小于350℃的温度下入炉,加热至860-880℃,保温1-3h,出炉空冷至低于150℃。
进一步地,步骤S6中,所述时效热处理具体为,使经过调整热处理后的锻件在小于350℃的温度下入炉,加热至530-550℃,保温2-4h,出炉空冷至低于150℃。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1.本发明的叶片材料,通过限定各原料成分的含量,尤其是铬、镍、钼、铜元素的含量,同时,控制铬当量、镍当量、铬当量与镍当量的比值,进而将叶片材料中的铁素体含量控制在1.5%以下,且逆转变奥氏体含量在10%以上,保证了叶片材料对低温高酸性物质的耐腐蚀性能,另外,本发明的叶片材料成本、力学性能与17-4PH材料相当,耐低温高酸性物质的腐蚀性能远优于17-4PH材料。
2.本发明在现有17-4PH材料的基础上,通过反复试验、验证,结合理论研究和叶片材料使用环境,优化了原料成分及其制造工艺,得到了一种新型耐低温高酸性腐蚀性能不锈钢材料,适用于低温高酸性工况能量回收透平装置的叶片,能够有效解决目前能量回收透平装置叶片材料17-4PH在低温高酸性工况下耐腐蚀性差,使用寿命短等问题,同时,又拥有高强度、高硬度,以及较好的焊接性能和经济性优点。
3.本发明的制备方法,通过原料成分设置、当量控制,以及制备过程中的温度设置相配合,使叶片材料兼具强耐腐蚀性、低成本和高强度。
附图说明
图1为本发明实施例二叶片材料的组织微观图;
图2为与实施例二组成相同、Ni当量和Cr当量之比不满足条件的对比例叶片材料组织微观图;
图3为本发明实施例二叶片材料的马氏组织基体示意图;
图4为本发明实施例二叶片材料基体中逆转变奥氏体的示意图(图中马氏体板条间的白亮块为逆转变奥氏体);
图5为本发明实施例二叶片材料基体中铁素体的示意图(图中小白块表示铁素体);
图6为17-4PH材料进行腐蚀性对比试验时的宏观形貌图;
图7为本发明实施例二得到的叶片材料进行腐蚀性对比试验时的宏观形貌图;
图8为17-4PH材料进行腐蚀性对比试验时的界面微观组织图;
图9为本发明实施例二得到的叶片材料进行腐蚀性对比试验时的界面微观组织图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
本发明提供了一种用于低温高酸性工况下能量回收透平装置的叶片材料,以重量百分比计,该叶片材料化学成分为:
0.03%≤C≤0.055%;0<Si≤0.7%;0.55%≤Mn<1.3%;0<P<0.025%;0<S<0.015%;11.5%≤Cr≤14.0%;3.5%≤Ni≤4.5%;1.2%≤Mo≤1.6%;1.5%≤Cu≤2.3%;0<Nb≤0.35%;0<V≤0.05%;0<Al≤0.10%;0<Co≤0.10%;0<Nb、Ti和V≤0.45%;0.02%≤N≤0.060%,其余为Fe。
通过控制叶片材料中主要成分的含量,尤其是铬、镍、钼、铜元素的含量,进而控制铬当量、镍当量,以及铬当量和镍当量的比值:
Ni当量小于9.2,Ni当量=Ni+Co+0.5Mn+0.3Cu+25N+30C;
Cr当量小于18.7,Cr当量=Cr+1.5Mo+2Si+1.75Nb+5V+5.5Al+1.5Ti+0.75W;
Ni当量和Cr当量比值满足0.41<Ni当量/Cr当量<0.48。
从而控制铁素体含量并获得含一定量逆转变奥氏体的马氏体组织,来保证本发明叶片材料的不锈钢材料对低温高酸性物质的耐腐蚀性能,最终得到一种成本与17-4PH材料相当,而耐低温高酸性物质的腐蚀性能远优于17-4PH材料的新型马氏体不锈钢材料。其中,Ni当量表示奥氏体形成元素包含Ni(主要)、C、N、Mn、Cu等。Cr当量表示铁素体形成元素包括Cr(等)、Mn、Si、Nb和Ti等。
上述Ni当量、Cr当量,以及Ni当量和Cr当量比值的设定,能够同时提高叶片材料耐腐蚀性和强度,通过各元素的相互作用,改变叶片材料的腐蚀速率。
基于上述叶片材料化学成分制备叶片材料的具体方法如下:
1.冶炼
按照前述化学成分组成及其重量百分比称取原料,经过电炉对混合原料进行冶炼和铸造,获得一次钢锭,将一次钢锭在真空状态下进行二次冶炼和浇注,获得二次钢锭,作为坯料。
2.锻造及锻后热处理
将作为坯料的二次钢锭在奥氏体单相区锻造,并在锻造后空冷到室温,即可获得锻件。其中,奥氏体单相区的始锻温度为1120-1180℃,终锻温度880-1000℃,至少进行三次镦粗和三次拔长,且末火次变形量大于45%,锻造比为5-7。
锻造后再进行640-660℃的重结晶冷却。
3.性能热处理
对锻件进行固溶热处理、调整热处理和时效热处理,完成对马氏体不锈钢材料类叶片材料的制备。
其中,固溶热处理具体为,在500℃以下入炉,加热至1030-1050℃,保温时间为2h-10h,出炉油冷至150℃以下。调整热处理具体为,在350℃以下入炉,加热至860-880℃,保温时间为1h-3h,出炉空冷至150℃以下。时效热处理具体为,在350℃以下入炉,加热至530-550℃,保温时间为2-4h,出炉空冷至150℃以下。
本发明采用如下实施例对叶片材料的制备方法和组成进行验证。
实施例一
1.按照如下组成以重量百分比计配料:
C:0.03%,Si:0.7%,Mn:1%,P:0.01%,S:0.001%,Cr:11.5%,Ni:4%,Mo:1.2%,Cu:2%,Nb:0.3%,V:0.045%,Al:0.05%,Co:0.02%,Nb+Ti+V:0.35%,N:0.02%,其余为Fe。
经过电炉对混合原料进行冶炼和铸造,获得一次钢锭,将一次钢锭在真空状态下进行二次冶炼和浇注,获得二次钢锭,作为坯料。获得一次钢锭和获得二次钢锭的冶炼、铸造和浇注工艺,可根据实际情况进行调整。
2.锻造及锻后热处理
将作为坯料的二次钢锭在奥氏体单相区锻造,并在锻造后空冷到室温,即可获得锻件。其中,奥氏体单相区的始锻温度为1120℃,终锻温度1000℃,至少进行三次镦粗和三次拔长,且末火次变形量为50%,锻造比为5,锻造后再进行640℃的重结晶冷却。
3.性能热处理
对锻件进行固溶热处理、调整热处理和时效热处理,完成对马氏体不锈钢材料类叶片材料的制备。
其中,固溶热处理具体为,在450℃下入炉,加热至1040℃,保温时间为2h,出炉油冷至145℃。调整热处理具体为,在345℃下入炉,加热至865℃,保温时间为1h,出炉空冷至145℃。时效热处理具体为,在345℃下入炉,加热至550℃,保温时间为4h,出炉空冷至145℃。
实施例二
1.按照如下组成以重量百分比计配料:
C:0.055%,Si:0.3%,Mn:0.55%,P:0.02%,S:0.003%,Cr:14%,Ni:4%,Mo:1.5%,Cu:1.5%,Nb:0.35%,V:0.05%,Al:0.1%,Co:0.1%,Nb+Ti+V:0.45%,N:0.06%,其余为Fe。
2.锻造及锻后热处理
将作为坯料的二次钢锭在奥氏体单相区锻造,并在锻造后空冷到室温,即可获得锻件。其中,奥氏体单相区的始锻温度为1180℃,终锻温度900℃,至少进行三次镦粗和三次拔长,且末火次变形量为52%,锻造比为7,锻造后再进行660℃的重结晶冷却。
3.性能热处理
对锻件进行固溶热处理、调整热处理和时效热处理,完成对马氏体不锈钢材料类叶片材料的制备。
其中,固溶热处理具体为,在480℃下入炉,加热至1030℃,保温时间为10h,出炉油冷至140℃。调整热处理具体为,在330℃下入炉,加热至870℃,保温时间为3h,出炉空冷至140℃。时效热处理具体为,在340℃下入炉,加热至530℃,保温时间为2h,出炉空冷至140℃。
实施例三
1.按照如下组成以重量百分比计配料:
C:0.045%,Si:0.2%,Mn:0.6%,P:0.02%,S:0.005%,Cr:12.5%,Ni:3.5%,Mo:1.6%,Cu:2.2%,Nb:0.15%,V:0.04%,Al:0.08%,Co:0.03%,Nb+Ti+V:0.3%,N:0.05%,其余为Fe。
2.锻造及锻后热处理
将作为坯料的二次钢锭在奥氏体单相区锻造,并在锻造后空冷到室温,即可获得锻件。其中,奥氏体单相区的始锻温度为1150℃,终锻温度880℃,至少进行三次镦粗和三次拔长,且末火次变形量为48%,锻造比为6,锻造后再进行650℃的重结晶冷却。
3.性能热处理
对锻件进行固溶热处理、调整热处理和时效热处理,完成对马氏体不锈钢材料类叶片材料的制备。
其中,固溶热处理具体为,在400℃下入炉,加热至1050℃,保温时间为8h,出炉油冷至130℃。调整热处理具体为,在340℃下入炉,加热至860℃,保温时间为2h,出炉空冷至145℃。时效热处理具体为,在340℃下入炉,加热至545℃,保温时间为3h,出炉空冷至145℃。
实施例四
1.按照如下组成以重量百分比计配料:
C:0.04%,Si:0.55%,Mn:0.7%,P:0.015%,S:0.004%,Cr:13.5%,Ni:4.5%,Mo:1.3%,Cu:2.3%,Nb:0.25%,V:0.035%,Al:0.06%,Co:0.05%,Nb+Ti+V:0.3%,N:0.045%,其余为Fe。
2.锻造及锻后热处理
将作为坯料的二次钢锭在奥氏体单相区锻造,并在锻造后空冷到室温,即可获得锻件。其中,奥氏体单相区的始锻温度为1150℃,终锻温度930℃,至少进行三次镦粗和三次拔长,且末火次变形量为51%,锻造比为5,锻造后再进行660℃的重结晶冷却。
3.性能热处理
对锻件进行固溶热处理、调整热处理和时效热处理,完成对马氏体不锈钢材料类叶片材料的制备。
其中,固溶热处理具体为,在485℃下入炉,加热至1035℃,保温时间为6h,出炉油冷至135℃。调整热处理具体为,在335℃下入炉,加热至880℃,保温时间为3h,出炉空冷至135℃。时效热处理具体为,在335℃下入炉,加热至540℃,保温时间为4h,出炉空冷至135℃。
上述实施例一至实施例四,均满足Ni当量小于9.2,Cr当量小于18.7,且Ni当量与Cr当量的比值大于0.41小于0.48。
本发明的叶片材料组成中,Cr元素是具有代表性的铁素体形成元素,它的主要作用是耐腐蚀,只有当Cr含量大于10%时,钢的耐腐蚀性会急剧变好,另外Cr含量还能够提高钢的淬透性,综上结合叶片材料的实际应用进行研究,确定Cr含量应当控制在11.5-14%。Ni元素是具有代表性的奥氏体稳定元素,能够增强叶片材料抗酸的腐蚀能力,提高非氧化介质的耐蚀性,同时,有利于叶片材料拥有优良的韧性和延展性,从而使叶片材料易于加工和焊接,若Ni含量过高,材料的强度会变低,因为过高的Ni含量会导致钢冷却到室温后组织中出现过多的残余奥氏体。Mo元素也是铁素体的形成元素,一定量的Mo可以有效提高材料钝化膜的强度,从而增强材料的抗氯离子腐蚀能力,以及在还原性介质当中的耐蚀性,但是,当Mo含量过高时,铁素体数量就会增加,严重影响钢的硬度,使硬度大幅度降低。Cu元素是奥氏体形成元素,在沉淀硬化不锈钢中能够起到非常强的时效硬化作用,另外,还能够提高钢在诸如硫酸和盐酸等高酸环境中的耐腐蚀性能,但是,过高的Cu元素则会导致材料的塑性急剧下降。N元素是奥氏体形成和稳定元素,能够显著提高钢的强度,增强局部腐蚀能力,减少δ相析出,防止高温脆性。Mn元素是扩大及稳定奥氏体元素,通常N和M n联合使用成为代替和节约Ni的主要材料,Mn可提高强度,增加N在钢中的溶解度,但是,过高的Mn含量可促进б相析出,使钢具有脆性,同时,不利于钢的低温韧性和可焊性。Si是铁素体形成元素,可提高钢的高温性能,以及在强氧化性介质当中的耐蚀性。Nb是铁素体形成元素,能够阻止Cr的碳化物生成,防止晶间腐蚀。C元素为扩大奥氏体区域元素,为保证耐蚀性其含量应控制在0.08%以下。
综上,各原料成分共同作用形成了本发明叶片材料的原料,各原料的比例也是相辅相成的。
本发明叶片材料的组成,并不是简单的元素拼凑,其组成也不是简单的单一试验能够获得的,是充分考虑了材料的适用条件(服役界定)和工况(低温、高酸的界定),经过反复试验和实际验证,结合理论研究确定的。对能量回收透平装置而言,设备入口温度≤130℃,PH<6,可界定为低温高酸性工况。因此,叶片材料不仅需要满足上述成分要求,Ni当量、Cr当量,以及Ni当量和Cr当量比值也必须满足条件。为了确保马氏体沉淀硬化不锈钢具有优异的耐低温高酸性物质的腐蚀性,同时,高强韧性不发生变化,需要在钢的化学成分范围内精确控制镍当量、铬当量,以及其两者的比值。
对本发明实施例二进行实际验证,如图1所示,当Ni当量<9.2,Cr当量<18.7,且0.41<Ni当量/Cr当量<0.48时,钢组织中铁素体含量较少,钢在低温工况下,抗酸腐蚀性能明显增强,同时钢的强度、韧性不会发生变化。如图2所示,为Ni当量/Cr当量≤0.41或Ni当量/Cr当量≥0.48时的组织图,组织当中铁素体含量明显增多,钢耐低温高酸性物质的腐蚀性能明显降低。对于低温高酸性腐蚀环境,铁素体会发生选择性腐蚀,因此,要对其含量进行严格控制,若铁素体含量过高,钢的延展性和冲击性等力学性能都会降低。
本发明制得的叶片材料,基体为图3所示的马氏体组织,其中含有图4所示的逆转变奥氏体,以及图5所示作为缺陷组织的铁素体,经验证,本发明实施例一至实施例四得到的叶片材料,铁素体含量均小于等于1.5%,逆转变奥氏体含量均大于等于10%。
另外,以实施例二为例,与现有的17-4PH材料开展低温高酸工况下的腐蚀性对比试验,试验条件为:pH=2,环境温度为55℃。得到的对比试验结果如下:
1.腐蚀速率试验对比结果如表1所示:
表1实施例二叶片材料和17-4PH材料腐蚀速率对比表
材料 | 腐蚀速率(mm/a) |
17-4PH材料 | 0.1788 |
实施例二得到的叶片材料 | 0.0055 |
由表1可以看出,在低温高酸工况下进行腐蚀试验,本发明实施例二得到的叶片材料腐蚀速率远低于17-4PH材料。
2.宏观形貌对比
从图6和图7所示的宏观形貌对比可以看出,17-4PH材料表面可以明显看出较多的腐蚀痕迹,而本发明叶片材料的腐蚀痕迹较少,这与前述腐蚀速率的试验结论相一致。
3.界面微观组织对比
图8为17-4PH材料进行腐蚀性对比试验时的界面微观组织图,图9为实施例二得到的叶片材料进行腐蚀性对比试验时的界面微观组织图,从图8和图9可知,实施例二得到的叶片材料界面更平顺,腐蚀更轻微。
4.其他指标对比
进行腐蚀性对比试验的其他指标如表2所示:
表2实施例二叶片材料和17-4PH材料腐蚀性对比试验指标对比表
由表2可知,本发明叶片材料与17-4PH材料相比,两种材料在力学性能、工艺性以及锻件成本方面差别较小。
对实施例一、例三、例四,以及本发明的其他实施例都进行了多次类似试验验证,得到的结论均与实施例二相当。证明了本发明叶片材料在低温高酸性工况下耐腐蚀性腔,且成本与17-4PH材料相当,即本发明在不增加成本的情况下有效提升了叶片材料的耐腐蚀性,同时,也保证了叶片材料的其他相关性能。
以上仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于低温高酸性工况的能量回收透平叶片材料,其特征在于,成分以重量百分比计包括:
0.045%≤C≤0.055%;Si=0.3%;Mn=0.55%;0<P<0.025%; 0<S<0.015%;11.5%≤Cr≤14.0%;3.5%≤Ni≤4%;1.2%≤Mo≤1.6%;1.5%≤Cu≤2.3%;0<Nb≤0.35%;0<V≤0.05%;0.05%<Al≤0.10%;0<Co≤0.10%;0<Nb+Ti+V≤0.45%;0.05%≤N≤0.060%,其余为Fe;
其中,Ni当量小于8.6,Cr当量小于18.7,且Ni当量与Cr当量的比值大于0.41小于0.48;
所述Ni当量表示奥氏体形成元素的总含量,Ni当量=Ni+Co+0.5Mn+0.3Cu+25N+30C;所述Cr当量表示铁素体形成元素的总含量, Cr当量=Cr+1.5Mo+2Si+1.75Nb+5V+5.5Al+1.5Ti+0.75W。
2.如权利要求1所述一种用于低温高酸性工况的能量回收透平叶片材料,其特征在于,成分以重量百分比计包括:
C:0.055%,Si:0.3%,Mn:0.55%,P:0.02%,S:0.003%,Cr:14%,Ni:4%,Mo:1.5%,Cu:1.5%,Nb:0.35%,V:0.05%,Al:0.1%,Co:0.1%,Nb+Ti+V: 0.45%,N:0.06%,其余为Fe。
3.一种权利要求1或2所述用于低温高酸性工况的能量回收透平叶片材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1,按照所述能量回收透平叶片材料的成分及其重量百分比称取原料;
S2,对称取的原料进行冶炼和铸造,获得一次钢锭;
S3,在真空状态下对一次钢锭进行二次冶炼和浇注,获得二次钢锭;
S4,将二次钢锭在其奥氏体单相区内进行锻造,冷却至室温,得到锻件;
S5,对锻件进行重结晶冷却,所述重结晶的温度为640-660℃;
S6,对经步骤S5重结晶冷却后的锻件依次进行固溶热处理、调整热处理和时效热处理,得到马氏体不锈钢类的能量回收透平叶片材料;
其中,所述固溶热处理具体为,使经步骤S5重结晶冷却后的锻件在小于500℃的温度下入炉,加热至1030-1050℃,保温2-10h,出炉油冷至低于150℃;
所述调整热处理具体为,使经过固溶热处理后的锻件在小于350℃的温度下入炉,加热至860-880℃,保温1-3h,出炉空冷至低于150℃;
所述时效热处理具体为,使经过调整热处理后的锻件在小于350℃的温度下入炉,加热至530-550℃,保温2-4h,出炉空冷至低于150℃。
4.如权利要求3所述用于低温高酸性工况的能量回收透平叶片材料的制备方法,其特征在于:步骤S4中,所述将二次钢锭在其奥氏体单相区内进行锻造,具体为,将奥氏体单相区的初锻温度设置为1120-1180℃,终锻温度设置为880-1000℃,使二次钢锭在其奥氏体单相区内进行至少三次镦拔,且末火次变形量大于45%,锻造比为5-7。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202111597965.XA CN114438402B (zh) | 2021-12-24 | 2021-12-24 | 用于低温高酸性工况的能量回收透平叶片材料及制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202111597965.XA CN114438402B (zh) | 2021-12-24 | 2021-12-24 | 用于低温高酸性工况的能量回收透平叶片材料及制备方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN114438402A CN114438402A (zh) | 2022-05-06 |
CN114438402B true CN114438402B (zh) | 2023-03-28 |
Family
ID=81363677
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202111597965.XA Active CN114438402B (zh) | 2021-12-24 | 2021-12-24 | 用于低温高酸性工况的能量回收透平叶片材料及制备方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN114438402B (zh) |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11702717B2 (en) * | 2017-11-03 | 2023-07-18 | Aperam | Martensitic stainless steel and method for producing the same |
CN109735694B (zh) * | 2018-12-29 | 2021-06-22 | 沈阳鼓风机集团股份有限公司 | 一种低碳马氏体不锈钢的热处理方法 |
CN112410687B (zh) * | 2020-10-14 | 2022-02-25 | 沈阳透平机械股份有限公司 | 一种耐硫化物应力腐蚀的马氏体不锈钢材料及其制备方法 |
-
2021
- 2021-12-24 CN CN202111597965.XA patent/CN114438402B/zh active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN114438402A (zh) | 2022-05-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN107653421B (zh) | 一种耐海水腐蚀的超高强度马氏体时效不锈钢 | |
CN111378873B (zh) | 变形高温合金及其制备方法、发动机热端旋转部件和发动机 | |
CN106967930B (zh) | 一种高耐热性、高稳定性和高韧性的模具钢及其制造工艺 | |
CN101545076B (zh) | 一种马氏体热强不锈钢及其制造方法 | |
CN102517517B (zh) | 超超临界火电机组汽轮机叶片用耐热钢及制造方法 | |
CN109811252B (zh) | 一种高强度马氏体不锈钢及其制造工艺 | |
CN102747305B (zh) | 地热发电涡轮机转子用低合金钢和地热发电涡轮机转子用低合金材料及其制造方法 | |
CN114622133B (zh) | 一种超超临界汽轮机转子锻件用耐热钢及其制备方法 | |
CN105543713A (zh) | 微合金化的高强度抗氧化铁镍合金气阀钢材料及制备方法 | |
JP5355837B2 (ja) | スチール合金、プラスチック成形工具及びプラスチック成形工具用の強靭焼入れブランク | |
CN105695881A (zh) | 一种650℃超超临界铸件用耐热钢 | |
CN111394640A (zh) | 一种铁镍气阀合金及其制备方法 | |
CN106167877A (zh) | 马氏体时效钢 | |
CN109112424A (zh) | 一种汽轮机用耐热钢 | |
CN114231765A (zh) | 一种高温合金棒材的制备方法与应用 | |
CN102517507A (zh) | 超超临界火电机组汽轮机叶片用钢及制造方法 | |
CN105861957A (zh) | 一种高强度高耐磨合金钢及其制备方法 | |
CN110106397B (zh) | 一种耐高温螺栓合金材料及螺栓的制造方法 | |
CN109609860B (zh) | 一种高机械品质因数弹性合金及其制造方法 | |
CN115044838A (zh) | 一种复合强化型超高强韧马氏体不锈钢及其制备方法 | |
CN107090556A (zh) | 用于热锻的Ni基超合金 | |
CN113249630A (zh) | 一种高熵合金的锻压工艺 | |
CN114438402B (zh) | 用于低温高酸性工况的能量回收透平叶片材料及制备方法 | |
CN110863099B (zh) | 一种提高镍铁基高温合金板材冲击韧性的热处理工艺 | |
CN114214567B (zh) | 一种Ni3Al金属间化合物沉淀强化的高温轴承钢及其制备方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |