CN88100515A - 改进选定的铬-钼改良型合金钢高温特性和可焊性的方法 - Google Patents
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Abstract
由改良型9Cr-1Mo合金钢制成的锻件在低于ASTM规定的最低回火温度，即在1275至1300范围内回火5—20小时则可使锻件具有85—100Ksi的室温屈服强度。这种屈服强度可使合金用于制造高压蒸汽涡轮机转子。由这种合金制出的锻件具有优良的高温特性并便于对由此合金制成的转子进行焊接修补，还便于在开始时将较小的零件焊接在一起形成转子然后在1275至1300温度下回火的方法制造转子。
Description
本发明涉及改进9铬-1钼改良型合金钢高温特性和焊接性的方法，更具体地说，是涉及改进由这些合金制成的锻件的室温屈服强度。
在1982年4月7日出版的，由P.Patriarca撰写，题为“改良型9Cr-1Mo钢技术大纲和用于ASTM Section Ⅰ和Ⅷ设计分析的数据”的报告中，橡树岭国家实验室（ORNL）提出大量有关它们的新9铬-1钼改良（9CR-1 Mo mod.）合金的技术数据。这种新型ORNL合金是现有9Cr-1 Mo合金的改进。由ORNL对9Cr-1 Mo合金的化学组成所做的新改进使合金的高温特性有显著的提高。这种新型ORNL 9Cr-1 Mo改良合金钢，作为一种ASTM标准规格列入表1中，目前在市场上是大批供应的。
表1 ORNL 9 CR-1 Mo 改良合金的
ASTM商品锻件规格细则
规格：ASTM A-182，F91\\
化学性质
元素 范围（wt.%）
C 0.08-0.12
Mn 0.30-0.50
Si 0.2-0.5
P 0.02最大
S 0.01最大
Cr 8-9.5
Ni 0.4最大
Mo 0.85-1.05
Cu 0.1最大
V 0.18-0.25
Nb 0.06-0.10
N 0.03-0.07
Al 0.04最大
拉伸性和硬度要求
抗拉强度，最小，Ksi 85
屈服强度，最小，Ksi 60
%延伸率，最小， 20
收缩面积，最小， 40
布氏硬度值，最大 248
热处理
正火温度 - 1900至2000°F
回火温度 - 1350°F（最低）
ORNL提出表1说明的9Cr-1 Mo改良型合金的主要宗旨是生产出一种合金，该合金的高温强度、韧性和耐腐蚀性比先有的21/4 Cr-1 Mo压力容器钢具有相当大的改进。ORNL预期新型9 Cr-1 Mo改良合金将用于制造锅炉管道、各种锅炉构件，和一般用以取代21/4 Cr-1 Mo压力容器另件。
按常规，高压蒸汽轮机的转子是由铬-锰-钒（Cr-Mo-V）合金锻件制成：由于业已通晓的设计要求，非常希望这种Cr-Mo-V转子的室温屈服强度是在约85至约100Ksi范围内。然而，如表1所示，在ASTM规范A-182，F91（表1）中列出的ORNL9 Cr-1 Mo mod，（改良型）合金钢只能具有接近60Ksi的屈服强度。所以至少从表面上看，ORNL 9 Cr-1 Mo mod，合金钢不能用于高压蒸汽轮机转子的制造。但另一方面，众所周知，在本发明应用的技术中，设计工程师们不断地研究改进的材料以提高涡轮结构质量，特别是增加涡轮机整机的额定运行寿命，本发明即是进行这种研究所取得的一个成果。
因此，本发明是属于改进9 Cr-1 Mo mod，合金钢的高温特性和焊接性能的一种方法，其特征是通过上述合金在低于ASTM A-182，F91规定的回火温度1350°F（最低）下进行回火，即回火的温度范围为1275°F至1300°F使合金的上述性能得到改善的。
特别是当合金做成锻件，并且在一段时间内（最好是5～20小时）进行回火时;就足以得到85～100Ksi的室温屈服强度。锻件可以是高压蒸汽涡轮机转子的另件或部件，在回火前或回火后可将它们焊接在一起。
本发明可以使涡轮机承受较高的操作温度，同时，由于涡轮机的构件可用较薄的材料建造，因而能减少重量和降低能量损失从而改进运行特性。此外，对诸如转子之类的高压部件能进行焊接修补以补偿在役损坏也是人们所期望的。按照本发明，一种可焊9 Cr-1Mo mod合金钢用新方法进行热处理可以得到超过现有Cr-Mo-V高压转子工业标准的特优高温特性。本发明的新型热处理方法可提供一种可焊性较高的涡轮机转子合金，它易于进行焊接修补并/或能以开始时将小的锻造另件焊接在一起的方法制造出全尺寸转子。
在1984年9月12日北卡罗里那Raleigh EPRI会议上，由V.P.Swaminathan和R.I.Jaffee撰写的题为“改进钢的生产大大提高Cr-Mo-V转子的性能”的报告中提出了用于制造高压蒸汽涡轮机转子的Cr-Mo-V合金的现行工业标准。用于制造高压蒸汽涡轮机转子的Cr-Mo-V合金应具有以下特性
0.2%屈服强度，Ksi 抗拉强度极限，Ksi %延伸率 %面缩率
（YS） （UTS） （EI） （RA）
91 114 19 54
按照本发明，出人意料之外地发现使用的回火温度低于ASTM A-182，F91所规定的1350°F时，9 Cr-1 Mo，mod合金钢就可具有85-100Ksi的屈服强度，还可具有特优的高温特性，其高温特性如果不优于，至少也等于普通的Cr-Mo-V合金钢。而且，与ASTM A-182，F91标准9 Cr-1 Mo，mod合金钢或普通的Cr-Mo-V合金钢相比，在本发明提供的条件下进行热处理，已测定9 Cr-1 Mo，mod合金钢的焊接性能可大大提高。
为使本发明之9 Cr-1 Mo，mod合金钢具有改进的特性，特别是为了得到85-100Ksi的室温屈服强度，将9 Cr-1 Mo，mod合金钢置于低于ASTM A-182，F91（参看表1）所规定的回火温度下进行回火。特别是，合金在约1275°F至1300°F的温度范围内进行足够时间的回火就能得到85-100Ksi的室温屈服强度。这一点与ASTM A-182，F91（表1）规定的最低回火温度1350℃和低达60Ksi的屈服强度（如ASTM规格中所示）大不相同。
阐明按照本发明为获得85-100Ksi室温屈服强度，对9 Cr-1 Mo，mod合金钢进行必需的热处理的几个实施例结果示于图1中。这些数据表明。下列时间和温度能产生希望的屈服强度。
屈服强度 温度 该温度下的时间
Ksi °F 小时
101 1275 10
100 1275 20
99 1300 5
89 1300 10
85 1300 20
由此否定ASTM A-182，F91所规定的最低回火温度为1350°F而代之以在约1275°F-1300°F的温度范围内对9 Cr-1 Mo，mod合金钢进行回火，从而使屈服强度由额定的60Ksi提高到约85-100Ksi。因而使9 Cr-1Mo，mod合金钢的屈服强度符合于普通的和现有的Cr-Mo-V转子的室温设计要求。
为了评价用本发明方法生产的具有屈服强度为85-100Ksi的9 Cr-1 Mo mod合金钢，由Bethlehem制钢公司生产出好多种板状和环形锻件。这些锻件是由Bethlehem的No.125C526 V炉制造，每个锻件的重量约50000磅。这些锻件的试验提供了以下数据
锻件 YS（0.2%）Ksi UTS，Ksi %EI %RA
板 92.5 112.0 21.0 66.0
板 95.5 114.0 24.0 68.0
环 87.5 107.0 22.0 69.0
环 88.0 107.0 22.0 68.0
125 C526 V炉是真空熔融电炉，并符合ASTM A-182，F91（表1）的化学指标要求。锻件在约1300°F的温度下大约回火14小时。这些数据表明，当按照本发明方法进行热处理时，9 Cr-1 Mo，mod合金钢的拉延性在同等强度值下比Cr-Mo-V合金钢要好。此外，对这两种材料进行了V形缺口冲击韧性试验，这些试验表明按照本发明方法回火的9 Cr-1 Mo，mod合金钢，在韧性方面比普通Cr-Mo-V合金钢有很大改进。由韧性试验得到的数据如下：
Cr-Mo-V 9 Cr-1 Mo，mod
75°F时的能量，英尺.磅 11 74
上平台能量 英尺.磅 75 137
出现断裂的过渡
温度（FATT）°F 187 70
按照本发明方法进行热处理的9 Cr-1 Mo，mod合金钢目前正在进行蠕变断裂试验。表2及图2出其试验条件和迄今的试验结果。图表中将它们与普通Cr-Mo-V转子合金数据进行了比较。这些试验表明按本发明方法进行热处理的9 Cr-1 Mo，mod合金钢在提高蠕变强度方面与普通Cr-Mo-V合金钢相比具有相当大的潜力。
图2和图3中绘制了应力（Ksi）对Larson-Miller参数（LMP）的曲线，LMP被规定为等于T（20+Logt）×10-3，其中，T是温度，以绝对华氏度（°R）计，而t是破坏时间，以小时计。横穿图表由右下方延伸至左上方的两条线表示合格Cr-Mo-V合金钢蠕变破坏特性的通用数据。这些线是由已知Cr-Mo-V合金钢根据经验得出，并且被用作确定高压蒸汽涡轮机转子的理想蠕变强度特性的标准。最理想的是，这种转子是由至少具有与左边线同样大的Larson-Miller蠕变破坏参数的锻件来制造，而普通的Cr-Mo-V合金一般具有的LMP是在两条线之间。由图2可看出，用9 Cr-1 Mo，mod，合金进行的一些试验中LMP总是处在或超过普通基数参数的上限，而且许多试片一直未被破坏。因此，与普通的Cr-Mo-V合金相比较，这种9 Cr-1 Mo，mod，合金具有优良的蠕变破坏特性。
表2 经热处理使屈服强度为80至100Ksi
的9 Cr-1 Mo mod基体金属的
蠕变-破坏试验结果
试验温度 应力 计算的破坏 破坏时间 变形百分率
°F Ksi 时间 Hr Hr
1000 38 1，000 ＊7779 1.4
1000 35 2，000 ＊7779 0.8
1000 33 5，000 ＊7779 0.7
1000 32 10，000 ＊7779 0.6
950 53 500 7972 18
1000 45 500 5735 22
1050 38 500 2505 18
1100 32 500 869 40
＊从86年7月18日起不连续
附加数据
试样 试验温 应力 估算的破 破坏的时间 %EL %RA
号 度°F Ksi 坏时间Hr Hr
1 950 53 500 469 28 80
2 950 53 500 311 20 30
3 950 50 1，000 1439 26.2 75.7
4 950 50 1，000 1549 20.8 71.5
5 950 47 2，000 ＊3772 1.9 -
6 950 47 2，000 ＊3782 1.7 -
7 950 43 5，000 ＊＊5552 0.9 -
8 950 43 5，000 ＊＊5552 0.8 -
9 950 39 10，000 ＊3843 0.5 -
10 950 39 10，000 ＊3843 0.5 -
11 950 36 20，000 ＊3843 0.4 -
12 950 36 20，000 ＊3843 0.4 -
13 1000 45 500 739 27 80
14 1000 45 500 871 31 81
15 1000 42 1，000 3217 24.3 73.4
16 1000 42 1，000 3651 22.3 76.8
17 1000 36 2，000 ＊3782 0.7 -
18 1000 36 2，000 ＊3786 0.8 -
19 1000 34 5，000 ＊＊5552 0.7 -
20 1000 34 5，000 ＊＊5552 0.8 -
21 1000 30 10，000 ＊3837 0.4 -
22 1000 30 10，000 ＊3836 0.5 -
23 1000 27 20，000 ＊3843 0.3 -
24 1000 27 20，000 ＊3843 0.3 -
＊不连续
＊＊从86年10月31日起运行
为了评价标准的ASTM A-182，F91，9 Cr-Mo mod合金钢的焊接性能和高温性能进行了大量试验。该合金已被证实在使用气体保护钨极弧焊（GTAW）或气体保护金属极弧焊（GTAW）方法以及具有相同化学组成的填充材料时具有很高的可焊性
表3 经焊后热处理使屈服强度为85至100 Ksi的9 Cr-Mo mod。气体保护钨极弧焊和气体保护金属极弧焊的蠕变破坏试验结果
试验温度 应力 估算的破坏 破坏时间 EL
°F Ksi 时间，Hr Hr
GTAW 950 53 500 2，907 21
950 53 500 4，334 26
950 46 2000 6，858 18
950 46 2000 ＊7，486 2
1050 38 500 7，324 17
1050 38 500 4，668 14
1050 30 500 ＊7，460 3
1050 30 500 ＊＊9，185 -
GTAW 950 53 500 ＊6，573 -
950 53 500 8，373 10
1000 45 500 ＊12，365 -
1000 45 500 ＊＊5，841 -
1050 38 500 ＊11，021 -
1100 32 500 ＊5，033 -
＊＊不连续
＊＊从86年10月31日起运行
上述试验数据说明按照本发明方法进行焊后热处理具有约85至100 Ksi屈服强度的9 Cr-1 Mo mod，合金钢焊件的蠕变强度远远高于普通的、当今使用的Cr-Mo-V转子合金材料的。它还要求这种经过热处理的9 Cr-1 Mo mod，合金焊件的LMP蠕变强度要高于标准ASTM A-182，F91焊件的LMP蠕变强度，而ASTM A-182，F91焊件是在最低为1350°F的温度下进行焊后热处理，因而其额定屈服强度为60Ksi。
因此，按照本发明方法进行热处理的9 Cr-1 Mo mod，合金可用于制造高压蒸汽涡轮机转子。这种转子具有满意的高温特性和优良的焊接性能。而且，本发明之9 Cr-1 Mo mod，合金的特性使采用9 Cr-1 Mo mod，焊接金属将较小的9 Cr-1 Mo mod，锻件焊接在一起的方法来制造涡轮机转子，然后在低于1350°F的回火温度下将组合件进行热处理得的实现。
Claims (4)
1、改进改良型9 Cr-1Mo合金钢高温特性和焊接性能的方法，其特征在于将上述合金钢在低于ASTMA-182，F91规定的最低回火温度1350°F下，即在1275°F至1300°F范围内进行回火。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于合金是以锻件的形式，并进行一段时间的回火足以产生85至100Ksi的室温屈服强度。
3、根据权利要求2的方法，其特征在于回火时间为5-20小时范围内。
4、根据权利要求2或3的方法，其特征在于锻件构成高压蒸汽涡轮机庄子的零件或部件。它们可以在回火之前或回火之后焊接在一起。
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