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CN105925849A - 一种700℃超超临界汽轮机转子用镍基合金锻件的控制方法 - Google Patents

一种700℃超超临界汽轮机转子用镍基合金锻件的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种700℃超超临界汽轮机转子用镍基合金锻件的控制方法，均匀化热处理采取阶梯式加热方法，在700~800℃、1110~1150℃设置台阶，以心部到温为准分别保温2~3小时、5~9小时。室温至700~800℃采取40℃/小时的速率缓慢升温。特别设计了一段在1180~1220℃，以心部到温为准保温20~50小时的高温长时间保温阶段。锻造温度区间严格控制，始锻温度为1120~1190℃，终锻温度为880~980℃。固溶热处理采取阶梯式升温方法，从室温以40℃/小时的升温速率升至700~800℃，以心部到温为准保温2~3小时，最终的固溶温度取1120~1180℃，以心部到温为准保温1~3小时，出炉水冷冷却。短时时效热处理从室温以40℃/小时的升温速率升至700~800℃，以心部到温为准保温1~5小时。

Description

一种 700 ℃超超临界汽轮机转子用镍基合金锻件的控制方法
技术领域
本发明涉及一种700℃超超临界汽轮机转子用镍基合金锻件的控制方法，属于镍基合金锻造制造技术领域。
背景技术
在节能减排的发展趋势下，作为占据我国乃至全球发电主力地位的燃煤电站迫切需要提升热效率，向洁净发电的道路迈进。700℃超超临界是目前火电领域最高效的技术参数，相比于600℃超超临界发电技术，该机组供电效率可提高至48%~50%，每千瓦时煤耗可再降低40~50克，二氧化碳排放减少14%。
为了研制出能用于700℃超超临界机组的汽轮机转子锻件，所以需要一种能够在700℃下具有良好持久性能的材料。该材料需要满足在700℃时10万小时的持久强度不低于100MPa，同时其它一些诸如抗拉强度、屈服强度、延伸率、冲击功等力学性能应达到同类材料的基本要求。传统的钢铁材料很难达到这种性能要求，而镍基合金则具有充分的潜力。
镍基合金具有优良的高温性能，原因在于其奥氏体基体中存在弥散析出的纳米级别的γ’强化相，并且该强化相在很高的温度下也具有良好的稳定性，可以保证镍基合金在高温时依然保持很高的强度。此外，合金元素固溶于镍基合金的奥氏体基体中，也能起到很好的强化效果。这也是目前各类镍基合金成为700℃超超临界火电机组不同部件候选材料的原因。
镍基合金虽然高温性能出众，但是其锻件的制备难度却远远超过普通钢锻件。其难点在于：镍基合金的合金元素含量较多，这使铸态组织中合金元素显微偏析严重，容易导致锻造开裂；由于强化相在高温时也存在，导致该类合金高温抗力较大，锻造温度区间窄；固溶热处理方式不得当，容易使最后的组织中晶粒大小分布不均匀，力学性能不足且不稳定。
发明内容
为了克服上述技术上的不足，本发明提供了一种700℃超超临界汽轮机转子用镍基合金锻件的控制方法，采取均匀化热处理、锻造成型、固溶热处理、短时时效热处理，制成镍基合金锻件。
本发明解决其技术难题所采用的技术方案是：一种700℃超超临界汽轮机转子用镍基合金锻件的控制方法，采取控制锻造前均匀化热处理、锻造成型、固溶热处理、短时时效热处理，制成镍基合金锻件；镍基合金化学成分重量百分含量为C:0.03~0.08、Cr:16~25、Mo:7~12、Co:9~14、Al:0.3~2.5、Ti:0.5~1.8、Nb:0.1~0.6、B:0.003~0.008、Ta:0.1~0.3、W:0.1~0.5、Fe:0.1~2.5、Zr:0.01~0.05、Cu:0.05~0.15以及余量的Ni和杂质，锻造工艺中具体的技术参数如下：
一、均匀化热处理采取阶梯式加热方法，在700~800℃、1110~1150℃设置台阶，以心部到温为准分别保温2~3小时、5~9小时。室温至700~800℃采取40℃/小时的速率缓慢升温。特别设计了一段在1180~1220℃，以心部到温为准保温20~50小时的高温长时间保温阶段。
二、锻造温度区间严格控制，始锻温度为1120~1190℃，终锻温度为880~980℃。
三、固溶热处理采取阶梯式升温方法，从室温以40℃/小时的升温速率升至700~800℃，以心部到温为准保温2~3小时，最终的固溶温度取1120~1180℃，以心部到温为准保温1~3小时，出炉水冷冷却。
四、短时时效热处理从室温以40℃/小时的升温速率升至700~800℃，以心部到温为准保温1~5小时。
采用经真空感应熔炼加电渣重熔冶炼的电渣锭进行均匀化热处理，均匀化热处理前，在电渣锭冒口位置取试样进行金相和扫描观察，重点分析心部和1/2半径位置的合金元素显微偏析程度，确定最终的均匀化温度和时间。均匀化热处理采用阶梯式加热方法，具体各阶段升温和保温参数如下：
电渣锭冷装炉，设置炉温从室温以40℃/小时的升温速率升至700~800℃，以心部到温为准保温2~3小时；
将炉温以功率升温速率升至1110~1150℃，以心部到温为准保温5~9小时；
将炉温以功率升温速率升至1180~1220℃，进行最终的均匀化处理，以心部到温为准保温20~50小时；
最后降温进行锻前热处理，为锻造做准备。
采用经过均匀化热处理和锻前热处理的工件进行开坯锻造，先镦粗后拔长。锻造过程始锻温度控制在1120~1190℃，终锻温度控制在880~980℃。锻造成型后，工件自然冷却，进行粗加工、精加工后，取样分析工件不同位置的晶粒度，并进行超声探伤，确定晶粒度控制得当且无超标缺陷后，进行下一工序。
随后对工件进行固溶热处理，冷锭装炉，从室温以40℃/小时的升温速率升至700~800℃，以心部到温为准保温2~3小时，最后升至1120~1180℃，保温1~3小时，保温结束后出炉迅速放入水槽水冷，保证水槽内的水可以循环流动。之后对工件粗加工、精加工，取样分析不同位置的晶粒度，并进行超声波探伤，确定晶粒度控制得当且无超标缺陷后，进行下一工序。
对固溶热处理后的工件进行短时时效热处理，冷锭装炉，以40℃/小时的升温速率升至700~800℃，以心部到温为准保温1~5小时，出炉空冷，取样进行力学性能检测。
本发明的有益效果是：本发明制备的镍基合金锻件经室温力学性能检测，其抗拉强度大于890MPa、屈服强度大于510MPa、延伸率大于30%、断面收缩率大于30%、冲击功大于90J。材料经700℃高温力学性能检测，其抗拉强度大于600MPa、屈服强度大于400MPa、延伸率大于30%、断面收缩率大于30%。采用实验加外推法得到700℃时10万小时的持久强度大于185MPa。
采用本发明所述化学成分的镍基合金，经均匀化热处理、锻造成型、固溶处理、短时时效处理等关键工序后，其性能达到或超过了国内外先进水平，特别是持久强度满足700℃超超临界机组的使用条件。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
图1是本发明均匀化热处理工艺曲线图。
图2是本发明固溶热处理工艺曲线图。
图3是本发明短时时效热处理工艺曲线图。
具体实施方式
一种700℃超超临界汽轮机转子用镍基合金锻件的控制方法，采取控制锻造前均匀化热处理、锻造成型、固溶热处理、短时时效热处理，制成镍基合金锻件；镍基合金化学成分重量百分含量为C:0.03~0.08、Cr:16~25、Mo:7~12、Co:9~14、Al:0.3~2.5、Ti:0.5~1.8、Nb:0.1~0.6、B:0.003~0.008、Ta:0.1~0.3、W:0.1~0.5、Fe:0.1~2.5、Zr:0.01~0.05、Cu:0.05~0.15以及余量的Ni和杂质，锻造工艺中具体的技术参数如下：
一、均匀化热处理采取阶梯式加热方法，在700~800℃、1110~1150℃设置台阶，以心部到温为准分别保温2~3小时、5~9小时。室温至700~800℃采取40℃/小时的速率缓慢升温。特别设计了一段在1180~1220℃，以心部到温为准保温20~50小时的高温长时间保温阶段。
二、锻造温度区间严格控制，始锻温度为1120~1190℃，终锻温度为880~980℃。
三、固溶热处理采取阶梯式升温方法，从室温以40℃/小时的升温速率升至700~800℃，以心部到温为准保温2~3小时，最终的固溶温度取1120~1180℃，以心部到温为准保温1~3小时，出炉水冷冷却。
四、短时时效热处理从室温以40℃/小时的升温速率升至700~800℃，以心部到温为准保温1~5小时。
实施例1：
采用经真空感应熔炼加电渣重熔冶炼的电渣锭进行均匀化热处理，均匀化热处理前，在电渣锭冒口位置取试样进行金相和扫描观察，重点分析心部和1/2半径位置的合金元素显微偏析程度，确定最终的均匀化温度和时间。均匀化热处理采用阶梯式加热方法，图1为均匀化热处理工艺曲线图，具体方法为：
电渣锭冷装炉，设置炉温从室温以40℃/小时的升温速率升至700~800℃，以心部到温为准保温2~3小时；
将炉温以功率升温速率升至1110~1150℃，以心部到温为准保温5~9小时；
将炉温以功率升温速率升至1180~1220℃，进行最终的均匀化处理，以心部到温为准保温20~50小时；
最后降温进行锻前热处理，为锻造做准备。
采用经过均匀化热处理和锻前热处理的工件进行开坯锻造，先镦粗后拔长。锻造过程始锻温度控制在1120~1190℃，终锻温度控制在880~980℃。锻造成型后，工件自然冷却，进行粗加工、精加工后，取样分析工件不同位置的晶粒度，并进行超声探伤，确定晶粒度控制得当且无超标缺陷后，进行下一工序。
随后对工件进行固溶热处理，图2为固溶热处理工艺曲线图；冷锭装炉，从室温以40℃/小时的升温速率升至700~800℃，以心部到温为准保温2~3小时，最后升至1120~1180℃，保温1~3小时，保温结束后出炉迅速放入水槽水冷，保证水槽内的水可以循环流动。之后对工件粗加工、精加工，取样分析不同位置的晶粒度，并进行超声波探伤，确定晶粒度控制得当且无超标缺陷后，进行下一工序。
对固溶热处理后的工件进行短时时效热处理，图3为短时时效热处理工艺曲线图；冷锭装炉，以40℃/小时的升温速率升至700~800℃，以心部到温为准保温1~5小时，出炉空冷，取样进行力学性能检测。
本发明所述化学成分的镍基合金，经上述控制方法处理后，得到具有优良高温持久性能的镍基合金锻件。
本发明选用了一种具有优异高温强度的镍基合金，结合传统汽轮机转子锻件的制备方法和镍基合金锻件的制备特殊性，提出一套行之有效的镍基合金转子锻件的制备方法。最终得到的镍基合金锻件的力学性能可以满足700℃超超临界技术参数的要求。

Claims (1)

1.一种700℃超超临界汽轮机转子用镍基合金锻件的控制方法，其特征是：镍基合金化学成分重量百分含量为C:0.03~0.08、Cr:16~25、Mo:7~12、Co:9~14、Al:0.3~2.5、Ti:0.5~1.8、Nb:0.1~0.6、B:0.003~0.008、Ta:0.1~0.3、W:0.1~0.5、Fe:0.1~2.5、Zr:0.01~0.05、Cu:0.05~0.15以及余量的Ni和杂质，锻造工艺中具体的技术参数如下：
一、均匀化热处理采取阶梯式加热方法，在700~800℃、1110~1150℃设置台阶，以心部到温为准分别保温2~3小时、5~9小时；室温至700~800℃采取40℃/小时的速率缓慢升温；特别设计了一段在1180~1220℃，以心部到温为准保温20~50小时的高温长时间保温阶段；
二、锻造温度区间严格控制，始锻温度为1120~1190℃，终锻温度为880~980℃；
三、固溶热处理采取阶梯式升温方法，从室温以40℃/小时的升温速率升至700~800℃，以心部到温为准保温2~3小时，最终的固溶温度取1120~1180℃，以心部到温为准保温1~3小时，出炉水冷冷却；
四、短时时效热处理从室温以40℃/小时的升温速率升至700~800℃，以心部到温为准保温1~5小时；
具体方法为：
电渣锭冷装炉，设置炉温从室温以40℃/小时的升温速率升至700~800℃，以心部到温为准保温2~3小时；
将炉温以功率升温速率升至1110~1150℃，以心部到温为准保温5~9小时；
将炉温以功率升温速率升至1180~1220℃，进行最终的均匀化处理，以心部到温为准保温20~50小时；
最后降温进行锻前热处理，为锻造做准备；
采用经过均匀化热处理和锻前热处理的工件进行开坯锻造，先镦粗后拔长；锻造过程始锻温度控制在1120~1190℃，终锻温度控制在880~980℃；锻造成型后，工件自然冷却，进行粗加工、精加工后，取样分析工件不同位置的晶粒度，并进行超声探伤，确定晶粒度控制得当且无超标缺陷后，进行下一工序；
随后对工件进行固溶热处理，冷锭装炉，从室温以40℃/小时的升温速率升至700~800℃，以心部到温为准保温2~3小时，最后升至1120~1180℃，保温1~3小时，保温结束后出炉迅速放入水槽水冷，保证水槽内的水可以循环流动；之后对工件粗加工、精加工，取样分析不同位置的晶粒度，并进行超声波探伤，确定晶粒度控制得当且无超标缺陷后，进行下一工序；
对固溶热处理后的工件进行短时时效热处理，冷锭装炉，以40℃/小时的升温速率升至700~800℃，以心部到温为准保温1~5小时，出炉空冷，取样进行力学性能检测。
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