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CN106191701A - 一种用作汽轮机叶片的耐热钢材料及其制备方法 - Google Patents

一种用作汽轮机叶片的耐热钢材料及其制备方法 Download PDF

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CN106191701A
CN106191701A CN201610761706.9A CN201610761706A CN106191701A CN 106191701 A CN106191701 A CN 106191701A CN 201610761706 A CN201610761706 A CN 201610761706A CN 106191701 A CN106191701 A CN 106191701A
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雷德江
丁勇
黄志永
刘永新
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Abstract

本发明公开了一种用作汽轮机叶片的耐热钢材料，属于合金材料领域，其化学组成，按重量百分比计为：C 0.10~0.15；Cr 10.00~10.50；Mo 0.60~0.75；Co 3.20~3.50；W 1.70~1.90；V 0.15~0.25；Nb 0.04~0.06；N 0.015~0.030；B 0.0020~0.0030，余量Fe，还公开了上述材料的制备方法；本发明对于材料的组分进行了改进，并采用了新的制备方法，室温性能：抗拉强度Rm900Mpa以上、屈服强度Rp0.2 680~780Mpa、伸长率A≥18.0％、断面收缩率Z≥65.0％；高温（630℃）性能：抗拉强度Rm ≥365Mpa；屈服强度Rp0.2 ≥315Mpa；伸长率A≥13.0％；断面收缩率Z≥40.0％.冲击试验 KV2≥20J，高温持久试验（650℃、275Mpa）：断裂时间≥300h，锻后伸长率≥15%；使得材料的性能得到明显改善，满足现有的高性能汽轮机叶片的性能需求。

Description

一种用作汽轮机叶片的耐热钢材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金材料，尤其涉及一种用作汽轮机叶片的耐热钢材料及其制备方法。
背景技术
汽轮机是将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械设备。其中，汽轮机叶片是汽轮机中最为重要的部件之一。随着汽轮机制造技术的发展，汽轮机的性能越来越好，相应的，对于汽轮机转子的要求也越来越高。
专利申请号201110395953.9、专利名称：用做600℃超超临界汽轮机叶片或螺栓的钢材料，公开了用做汽轮机叶片的钢材料，其室温力学性能：屈服强度Rp0.2 ≥ 780N/mm2 ；抗拉强度Rm ≥ 95N/mm2 ；延伸率A4 ≥ 14％，断面收缩率Z ≥ 32％ ；冲击功Akv ≥ 20 ；硬度：277 ～ 331HB；高温持久性能：600℃、375MPa，持久时间≥ 100 小时；650℃、275MPa，持久时间≥ 100 小时，虽然其力学性能得到了改善，但是某些性能仍然不符合汽轮机转子的性能要求，尤其是高温持久性能较差。
发明内容
本发明的目的之一，就在于提供一种用作汽轮机叶片的耐热钢材料，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种用作汽轮机叶片的耐热钢材料，其化学组成，按重量百分比计为：
C 0.10~0.15；Cr 10.00~10.50；Mo 0.60~0.75；Co 3.20~3.50；W 1.70~1.90；V 0.15~0.25；Nb 0.04~0.06；N 0.015~0.030；B 0.0020~0.0030，余量Fe。
作为优选的技术方案：所述材料中，所含的杂质，按质量百分比计：
Si≤0.10 Mn≤0.10 P≤0.010
S≤0.005 Ni≤0.10。
本发明的目的之二，在于提供一种上述材料的制备方法，采用的技术方案为：包括以下步骤：
(1）按组分比例称量原料，进行熔炼，熔炼温度1560~1580℃，调节上述主要元素的含量合格，然后进行浇注成自耗电极；
（2）将步骤（1）所得自耗电极于电渣炉中重熔精炼,电渣渣系按重量比：CaF2:Al2O3:CaO:MgO=60:25:10:5，进一步降低杂质元素的含量，使其符合设计要求，制成电渣钢锭；
（3）将步骤（2）所得电渣钢锭加热后锻造制成钢棒；
（4）钢棒锻后缓冷进行退火处理；
（5）锻件毛坯表面处理，消除表面缺陷并使其尺寸、形状、表面质量满足设计要求，制得成品钢棒。
作为优选的技术方案：步骤（2）中，所采用的电力为：电压 56V±2V；电流7500±300A。
作为优选的技术方案：步骤（3）中工艺为：将钢棒加热至1160±10℃保温2~3小时，开始锻造。
作为优选的技术方案：步骤（4）中，退火温度：800±10℃，保温12+0.5Q ，其中Q表示工件重量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明对于材料的组分进行了改进，并采用了新的制备方法，室温性能：抗拉强度Rm900Mpa以上、屈服强度Rp0.2 680~780Mpa、伸长率A≥18.0％、断面收缩率Z≥65.0％；高温（630℃）性能：抗拉强度Rm≥365Mpa；屈服强度Rp0.2 ≥315Mpa；伸长率A≥13.0％；断面收缩率Z≥40.0％.冲击试验 KV2≥20J，高温持久试验（650℃、275Mpa）：断裂时间≥300h，锻后伸长率≥15%；使得材料的性能得到明显改善，满足现有的高性能汽轮机叶片的性能需求。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1-5：
采用不同含量的元素，制得用于汽轮机叶片的耐热钢材料，一共采用了5种不同的配方，各元素的组成见表1，表1中余量为Fe，总计为100%，表1中，均为质量百分含量值；每个实施例中，杂质的含量均为：Si≤0.10、Mn≤0.10、P≤0.010、S≤0.005、Ni≤0.10；
表1 实施例1-5中各种元素的组成
C Cr Mo Co W V Nb N B
实施例1 0.10 10.00 0.60 3.20 1.70 0.15 0.04 0.015 0.002
实施例2 0.15 10.50 0.75 3.50 1.90 0.25 0.06 0.030 0.003
实施例3 0.11 10.15 0.65 3.25 1.75 0.16 0.05 0.025 0.003
实施例4 0.12 10.25 0.70 3.30 1.80 0.18 0.05 0.020 0.002
实施例5 0.13 10.30 0.71 3.35 1.85 0.19 0.05 0.026 0.003
制备方法为，包括以下步骤：
(1）按组分比例称量原料，进行熔炼，熔炼温度1560~1580℃，调节上述主要元素的含量合格，然后进行浇注成自耗电极；
（2）将步骤（1）所得自耗电极于电渣炉中重熔精炼,电渣渣系按重量比：CaF2:Al2O3:CaO:MgO=60:25:10:5，电力制度：电压 56V±2V；电流7500±300A,进一步降低杂质元素的含量，使其符合设计要求，制成电渣钢锭；
（3）将步骤（2）所得电渣钢锭加热后锻造制成钢棒: 将钢棒加热至1160±10℃保温2~3小时，开始锻造；
（4）钢棒锻后缓冷至150℃及时退火；
退火温度：800±10℃，保温12+0.5Q （Q表示工件重量）。
（5）钢棒表面处理，对成品钢棒表面进行车光处理，消除表面缺陷并使钢棒尺寸、形状、表面质量满足设计要求，制得成品钢棒；
（6）在成品钢棒上取样检验力学性能，进行对应的力学性能试验；
--试样热处理步骤及工艺参数如下：
淬火处理：1110±5℃，保温≥0.5h，（油或水）冷却；
回火处理：700±5℃ ≥2h，空冷。
实施例6
材料性能测试
将实施例1-5制得的钢棒，进行力学性能检验，包括室温拉伸试验、高温拉伸试验和高温持久试验（试验温度：650℃；试验应力：275Mpa）验结果分别见表2、表3和表4
表2 室温（25℃）拉伸：
参数 抗拉强度Rm 屈服强度RP0.2 伸长率A 断面收缩率Z 冲击功AKV2
单位 Mpa N/mm2 ％ ％ J
实施例1结果 853 681 18.5 65 21
实施例2结果 859 685 19.0 65 22
实施例3结果 868 719 19.5 66 25
实施例4结果 889 779 20.0 67 29
实施例5结果 887 780 21.0 68 27
表3 高温（630℃）拉伸：
参数 抗拉强度Rm 屈服强度RP0.2 伸长率A 断面收缩率Z 冲击功KV2
单位 Mpa N/mm2 ％ ％ J
实施例1结果 395 356 13.5 51 26
实施例2结果 410 361 16.0 53 29
实施例3结果 440 370 17.5 66 33
实施例4结果 453 440 26.0 88 36
实施例5结果 451 439 32.0 88 37
表4 高温持久试验
参数 时间 断后伸长率δ4
单位 h %
实施例1结果 305 15
实施例2结果 309 16
实施例3结果 321 19
实施例4结果 335 22
实施例5结果 335 23
其具有优异的力学性能完全满足制作汽轮机叶片的需要。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用作汽轮机叶片的耐热钢材料，其特征在于：其化学组成，按重量百分比计为：
C 0.10~0.15；Cr 10.00~10.50；Mo 0.60~0.75；Co 3.20~3.50；W 1.70~1.90；V 0.15~0.25；Nb 0.04~0.06；N 0.015~0.030；B 0.0020~0.0030，余量Fe。
2.根据权利要求1所述的一种用作汽轮机叶片的耐热钢材料，其特征在于：所述材料中，所含的杂质，按质量百分比计：
Si≤0.10 Mn≤0.10 P≤0.010
S≤0.005 Ni≤0.10。
3.权利要求1或2所述的一种用作汽轮机叶片的耐热钢材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）按组分比例称量原料，进行熔炼，熔炼温度1560~1580℃，调节上述主要元素的含量合格，然后进行浇注成自耗电极；
（2）将步骤（1）所得自耗电极于电渣炉中重熔精炼,电渣渣系按重量比：CaF2:Al2O3:CaO:MgO=60:25:10:5，进一步降低杂质元素的含量，使其符合设计要求，制成电渣钢锭；
（3）将步骤（2）所得电渣钢锭加热后锻造制成钢棒；
（4）钢棒锻后缓冷进行退火处理；
（5）锻件毛坯表面处理，消除表面缺陷并使其尺寸、形状、表面质量满足设计要求，制得成品钢棒。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所采用的电力为：电压56V±2V；电流7500±300A。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中工艺为：将钢棒加热至1160±10℃保温2~3小时，开始锻造。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，退火温度：800±10℃，保温12+0.5Q ，其中Q表示工件重量。
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