CN117102814A - 一种650℃及以上等级机组锅炉用截止阀的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高温金属材料加工制备技术领域，具体涉及一种650℃及以上等级机组锅炉用截止阀的制备方法。该制备方法包括(1)对所述机组锅炉用截止阀的各个部件进行第一加工；(2)对所述阀体、节流套、阀杆、阀瓣、填料座圈和立柱分别进行第一热处理和第二加工；(3)对所述阀座进行堆焊、第二热处理和第三加工；并限定了第一热处理和第二热处理的具体步骤。该制备方法制得的截止阀组织稳定性和综合性能好，堆焊密封面开裂风险低，简化热处理工艺。本发明采用两种热处理方法配合，制得的截止阀可以有效控制组织结构，简化热处理工艺，降低截止阀对热处理工艺的要求以及和堆焊后密封面开裂风险。
Description
技术领域
本发明属于高温金属材料加工制备技术领域，具体涉及一种650℃及以上等级机组锅炉用截止阀的制备方法。
背景技术
提高燃煤机组参数可提高热效率、降低碳排放，进一步开发650℃及以上燃煤发电机组是进一步巩固我国煤电技术国际领先地位、降低发电碳排放的战略举措。阀门作为机组的关键部件，起到保护设备安全的作用。阀门内部具有结构复杂、服役工况严苛、密封困难等特点，这就需要保证阀门内部组织结构与应力分布均匀，进一步保证阀门具有高温密封性和结构完整性。650℃及以上等级机组中，高温阀门对材料的高温持久性、抗氧化性、加工成型性和焊接性能等均有严苛要求。
镍铁基析出强化型高温合金具有良好的高温综合性能和性价比，适合作为新一代650℃及以上等级机组阀门高温部件材料。镍铁基高温合金为保障高温阀门的服役性能要求，降低了高成本的固溶强化元素，加入了较高的析出强化元素，在降低材料成本的同时对其组织调控提出了更高的要求，需通过合理热处理保证长期服役性能。阀门密封面作为密封的核心位置，要求其具有较高的耐磨、耐蚀、抗氧化和耐高温的特性，而阀门密封面的材质通常为钴基高温合金。钴基高温合金和镍铁基高温合金的热膨胀系数差异大，在堆焊过程的多道次焊接热循环过程中容易产生较大的残余应力。以镍铁基高温合金作为截止阀材质，钴基高温合金作为密封面材质，在阀门运行服役中，由于这两种合金的热膨胀系数差异较大、组织调控精度高等问题将对阀门的制备成型与运行服役带来影响，对堆焊及热处理工艺提出较高要求。此外，阀座堆焊与截止阀本体的堆焊层应力集中较大且受到冲击，往往成为阀门服役过程中开裂失效的主要位置，易出现开裂等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种650℃及以上等级机组锅炉用截止阀的制备方法，可有效控制组织结构，简化热处理及阀座堆焊后的热处理工艺，降低对热处理工艺的要求和堆焊密封面开裂风险。
为此，本发明提供了以下技术方案。
本发明提供了一种650℃及以上等级机组锅炉用截止阀的制备方法，所述机组锅炉用截止阀的部件包括阀体、阀座、节流套、阀杆、阀瓣、填料座圈和立柱，所述制备方法包括以下步骤：
(1)对所述机组锅炉用截止阀的各个部件进行第一加工；
(2)对所述阀体、节流套、阀杆、阀瓣、填料座圈和立柱分别进行第一热处理和第二加工；
(3)对所述阀座进行堆焊、第二热处理和第三加工；
其中，所述第一热处理具体步骤包括以1℃/min-5℃/min的速率升温至450℃-550℃，保温不超过1h，完成后以1℃/min-5℃/min的速率升温至600℃-750℃，保温8-16h后空冷，然后升温至800℃-900℃，保温3-6h，再空冷至室温；
所述第二热处理的温度与Ni3Al固溶温度的差值为50-250℃，且所述第二热处理温度低于Ni3Al固溶温度，所述第二热处理的时间不超过5h。
所述阀体、节流套、阀座、阀杆、阀瓣、填料座圈和立柱的材质相同；
优选地，所述阀体、节流套、阀座、阀杆、阀瓣、填料座圈和立柱的材质均为镍铁基高温合金。
所述制备方法，按照重量百分比计，所述镍铁基高温合金的成分包括：Fe：35％-45％，Cr：15％-21％，Mo：0.5％-1.4％，W：0.1％-0.8％，Ti：1.8％-2.5％，Al：0.8％-2.5％，Mn：≤1.0％，Nb：≤0.1％，Co：≤2％，Si：≤0.05％，C：0.03％-0.10％，B：0.001％-0.005％，P：≤0.01％，余量为Ni；所述的Cr+Ni的重量百分比大于50％，W+Mo的重量百分比为0.6％-1.5％。
所述堆焊的焊材为钴基高温合金。
进一步地，第一热处理后部件的硬度值HRC≥28；
优选地，所述第一热处理后的部件与第二热处理后钴基高温合金的硬度差值HRC≥5。
所述第一加工为机加工；
优选地，所述第二加工为机加工；
优选地，所述第三加工为机加工。
经过第一热处理后的镍铁基高温合金的晶内Ni3Al析出相体积分数不低于15％，碳化物体积分数在3％以内，单个碳化物尺寸最大不超过10μm，室温延伸率和断面收缩率分别不低于15％和20％，650℃延伸率和断面收缩率分别不低于15％和20％，在750℃平均线膨胀系数不超过18.0×10-6/℃。
经过第二热处理后的镍铁基高温合金的晶内Ni3Al析出相体积分数不低于15％；室温延伸率和断面收缩率分别不低于15％和20％，650℃延伸率和断面收缩率分别不低于13％和15％，在750℃平均线膨胀系数不超过17.8×10-6/℃。
本发明还提供了一种上述方法制得的截止阀。
在对阀座进行堆焊处理后，形成的堆焊层即为密封面。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的650℃及以上等级机组锅炉用截止阀的制备方法，该制备方法包括(1)对所述机组锅炉用截止阀的各个部件进行第一加工；(2)对所述阀体、节流套、阀杆、阀瓣、填料座圈和立柱分别进行第一热处理和第二加工；(3)对所述阀座进行堆焊、第二热处理和第三加工；并限定第一热处理和第二热处理的具体步骤。该制备方法制得的截止阀组织稳定性和综合性能好，堆焊密封面开裂风险低，简化热处理工艺。钴基高温合金与镍铁基合金，由于严苛工况的要求，合金中往往含有较高含量的Cr、Al、Ti等元素，合金受元素尺寸的影响导致合金热膨胀系数随温度呈现非线性变化，在堆焊过程存在明显的热应力，服役过程容易产生裂纹，需要通过焊后热处理(焊后热处理是指阀座堆焊后的第二热处理步骤)消除热应力，焊后热处理工艺往往需要兼顾两类性能差异加大的材料(阀座和堆焊材料)，两种材料都有其最优的热处理工艺，现有技术无法有效匹配最佳热处理工艺，进而无法发挥钴基高温合金和镍基合金各自材料的性能优势，造成两类合金性能无法到达最佳状态。本发明采用两种热处理方法配合，制得的截止阀可以有效控制组织结构，简化热处理工艺，降低截止阀对热处理工艺的要求以及和堆焊后密封面开裂风险，本发明制得的截止阀在运行服役过程中不易出现开裂、失效等问题，且本发明简化了工序，提高了成品率。
本发明采用第一热处理，通过合理控制析出相尺寸及体积，使合金接近时效峰值状态，有效提升合金硬度，并保持合理的塑韧性，同时第一热处理后的部件和第二热处理后钴基高温合金可以形成合理的硬度差，保证密封面开合过程不产生磨损。
第二热处理前使用含有Ni3Al固溶态的镍铁基高温合金为原料，并确保镍铁基高温合金中晶内Ni3Al在5％以内，避免焊接过程中因为材料强度过高而出现的开裂倾向。同时，由于晶内析出相在600℃以上析出过程中具有吸收热量以及降低热膨胀系数等效果，可以一定程度降低焊接过程中的残余应力。通过合理选择第二热处理，可以调整母材组织，提升合金综合强度，实现堆焊密封面、母材合理匹配。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明具体实施方式中截止阀的结构示意图；
附图标记：
1-阀体、2-缠绕垫、3-阀座、4-节流套、5-阀杆、6-填料座圈、7-垫片、8-填料、9-石墨圈、10-填料压盖、11-填料压板、12-第一螺栓、13-第一螺母、14-立柱、15-过渡头、16-第二螺母、17-电动装置、18-开槽锥端紧定螺钉、19-垫圈、20-第二螺栓、21-止动圈、22-油杯、23-阀杆螺母、24-单向推力球轴承、25-导向板、26-内六角圆柱头螺钉、27-键。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
在以下实施例中提到的截止阀的结构如图1所示，该截止阀包括1-阀体、2-缠绕垫、3-阀座、4-节流套、5-阀杆、6-填料座圈、7-垫片、8-填料、9-石墨圈、10-填料压盖、11-填料压板、12-第一螺栓、13-第一螺母、14-立柱、15-过渡头、16-第二螺母、17-电动装置、18-开槽锥端紧定螺钉、19-垫圈、20-第二螺栓、21-止动圈、22-油杯、23-阀杆螺母、24-单向推力球轴承、25-导向板、26-内六角圆柱头螺钉、27-键。
在以下实施例中用到的镍铁基高温合金，按照重量百分比，其成分包括：Fe：35％-45％，Cr：15％-21％，Mo：0.5％-1.4％，W：0.1％-0.8％，Ti：1.8％-2.5％，Al：0.8％-2.5％，Mn：≤1.0％，Nb：≤0.1％，Co：≤2％，Si：≤0.05％，C：0.03％-0.10％，B：0.001％-0.005％，P：≤0.01％，余量为Ni；所述的Cr+Ni的重量百分比大于50％，W+Mo的重量百分比为0.6％-1.5％。
更具体的，以下实施例中用到的镍铁基高温合金，按照重量百分比，其成分包括：Fe：40％，Cr：16％，Mo：0.6％，W：0.3％，Ti：2.2％，Al：1.6％，Mn：0.1％，Co：1.0％，Si：0.025％，C：0.05％，B：0.002％，余量为Ni。其中，根据测试结果,该析出强化型镍铁基高温合金Ni3Al的固溶温度为922℃。
钴基高温合金可以选用Stellite6与Stellite21等固溶强化型高温合金及其衍生合金。
实施例1
本实施例提供了一种机组锅炉用截止阀的制备方法，机组锅炉用截止阀的结构如图1所示，其中，阀体、阀座、节流套、阀杆、阀瓣、填料座圈和立柱的材质均为镍铁基高温合金，其它部件的材质采用耐热不锈钢，该制备方法包括以下步骤：
(1)对机组锅炉用截止阀的各个部件进行锻件机加工。
(2)对阀体、节流套、阀杆、阀瓣、填料座圈和立柱分别进行第一热处理，第一热处理具体包括：以5℃/min的速率升温至450℃，保温1h，完成后以5℃/min的速率升温至650℃，保温8h后空冷，然后升温至800℃，保温5h，再空冷至室温；
(3)对阀体、节流套、阀杆、阀瓣、填料座圈和立柱进行机加工。
(4)以Stellite6合金作为堆焊的焊材对阀座进行堆焊，堆焊完成后在800℃下进行第二热处理，时间为4h，完成后空冷，对阀座进行机加工。
(5)将所有部件按照图1所示组装。
该实施例中经第一热处理后的镍铁基高温合金中晶内Ni3Al析出相体积分数不低于15％，碳化物体积分数在3％以内，单个碳化物尺寸最大不超过10μm，室温延伸率和断面收缩率分别不低于15％和20％，650℃延伸率和断面收缩率分别不低于15％和20％，在750℃平均线膨胀系数不超过18.0×10-6/℃，硬度值HRC为28。经过第二次热处理后，镍铁基高温合金晶内析出相体积分数高于15％，室温延伸率和断面收缩率分别不低于15％和20％，650℃延伸率和断面收缩率分别不低于13％和15％，在750℃平均线膨胀系数不超过17.8×10-6/℃，钴基高温合金的硬度值HRC为38。
实施例2
本实施例提供了一种机组锅炉用截止阀的制备方法，机组锅炉用截止阀的结构如图1所示，阀体、阀座、节流套、阀杆、阀瓣、填料座圈和立柱的材质均为镍铁基高温合金，其它部件的材料为耐热不锈钢，该制备方法包括以下步骤：
(1)对机组锅炉用截止阀的各个部件进行锻件机加工。
(2)对阀体、节流套、阀杆、阀瓣、填料座圈和立柱分别进行第一热处理，第一热处理具体包括：以3℃/min的速率升温至450℃，保温0.5h，完成后以3℃/min的速率升温至700℃，保温10h后空冷，然后升温至900℃，保温3h，再空冷至室温；
(3)对阀体、节流套、阀杆、阀瓣、填料座圈和立柱进行机加工。
(4)以Stellite21合金作为堆焊的焊材对阀座进行堆焊，堆焊完成后在870℃下进行第二热处理，时间为2h，完成后空冷，对阀座进行机加工。
(5)将所有部件按照图1所示组装。
该实施例中经第一次热处理后的镍铁基高温合金中晶内Ni3Al析出相体积分数不低于15％，碳化物体积分数在3％以内，单个碳化物尺寸最大不超过10μm，室温延伸率和断面收缩率分别不低于15％和20％，650℃延伸率和断面收缩率分别不低于15％和20％，在750℃平均线膨胀系数不超过18.0×10-6/℃，硬度值HRC为29。经过第二次热处理后，镍铁基高温合金的晶内析出相体积分数高于15％，室温延伸率和断面收缩率分别不低于15％和20％，650℃延伸率和断面收缩率分别不低于13％和15％，在750℃平均线膨胀系数不超过17.8×10-6/℃，钴基高温合金的硬度值HRC为39。
实施例3
本实施例提供了一种机组锅炉用截止阀的制备方法，机组锅炉用截止阀的结构如图1所示，阀体、阀座、节流套、阀杆、阀瓣、填料座圈和立柱的材质均为镍铁基高温合金，该制备方法包括以下步骤：
(1)对机组锅炉用截止阀的各个部件进行锻件机加工。
(2)对阀体、套筒、节流套、阀杆、阀瓣、填料座圈和立柱分别进行第一热处理，第一热处理具体包括：以1℃/min的速率升温至550℃，保温1h，完成后以1℃/min的速率升温至600℃，保温16h后空冷，然后升温至800℃，保温6h，再空冷至室温；
(3)对阀体、节流套、阀杆、阀瓣、填料座圈和立柱进行机加工。
(4)以Stellite6合金作为堆焊的焊材对阀座进行堆焊，堆焊完成后在800℃下进行第二热处理，时间为5h，完成后空冷，对阀座进行机加工。
(5)将所有部件按照图1所示组装。
该实施例中经第一热处理后的镍铁基高温合金中晶内Ni3Al析出相体积分数不低于15％，碳化物体积分数在3％以内，单个碳化物尺寸最大不超过10μm，室温延伸率和断面收缩率分别不低于15％和20％，650℃延伸率和断面收缩率分别不低于15％和20％，在800℃平均线膨胀系数不超过18.0×10-6/℃，硬度值HRC为30。经过第二次热处理后，去应力处理后的晶内析出相体积分数高于15％，室温延伸率和断面收缩率分别不低于15％和20％，650℃延伸率和断面收缩率分别不低于13％和15％，在750℃平均线膨胀系数不超过17.8×10-6/℃，钴基高温合金的硬度值HRC为39。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种650℃及以上等级机组锅炉用截止阀的制备方法，所述机组锅炉用截止阀的部件包括阀体、阀座、节流套、阀杆、阀瓣、填料座圈和立柱，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)对所述机组锅炉用截止阀的各个部件进行第一加工；
(2)对所述阀体、节流套、阀杆、阀瓣、填料座圈和立柱分别进行第一热处理和第二加工；
(3)对所述阀座进行堆焊、第二热处理和第三加工；
其中，所述第一热处理具体步骤包括以1℃/min-5℃/min的速率升温至450℃-550℃，保温不超过1h，完成后以1℃/min-5℃/min的速率升温至600℃-750℃，保温8-16h后空冷，然后升温至800℃-900℃，保温3-6h，再空冷至室温；
所述第二热处理的温度与Ni3Al固溶温度的差值为50-250℃，且所述第二热处理温度低于Ni3Al固溶温度，所述第二热处理的时间不超过5h。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述阀体、节流套、阀座、阀杆、阀瓣、填料座圈和立柱的材质相同；
优选地，所述阀体、节流套、阀座、阀杆、阀瓣、填料座圈和立柱的材质均为镍铁基高温合金。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，按照重量百分比计，所述镍铁基高温合金的成分包括：Fe：35％-45％，Cr：15％-21％，Mo：0.5％-1.4％，W：0.1％-0.8％，Ti：1.8％-2.5％，Al：0.8％-2.5％，Mn：≤1.0％，Nb：≤0.1％，Co：≤2％，Si：≤0.05％，C：0.03％-0.10％，B：0.001％-0.005％，P：≤0.01％，余量为Ni；所述的Cr+Ni的重量百分比大于50％，W+Mo的重量百分比为0.6％-1.5％。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述堆焊的焊材为钴基高温合金。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，第一热处理后部件的硬度值HRC≥28；
优选地，所述第一热处理后的部件与第二热处理后钴基高温合金的硬度差值HRC≥5。
6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第一加工为机加工；
优选地，所述第二加工为机加工；
优选地，所述第三加工为机加工。
7.根据权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，经过第一热处理后的镍铁基高温合金的晶内Ni3Al析出相体积分数不低于15％，碳化物体积分数在3％以内，单个碳化物尺寸最大不超过10μm，室温延伸率和断面收缩率分别不低于15％和20％，650℃延伸率和断面收缩率分别不低于15％和20％，在750℃平均线膨胀系数不超过18.0×10-6/℃。
8.根据权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，经过第二热处理后的镍铁基高温合金的晶内Ni3Al析出相体积分数不低于15％；室温延伸率和断面收缩率分别不低于15％和20％，650℃延伸率和断面收缩率分别不低于13％和15％，在750℃平均线膨胀系数不超过17.8×10-6/℃。
9.权利要求1-8任一项所述制备方法制得的截止阀。
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