CN106271142A - 超超临界高中压转子电熔成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超超临界高中压转子电熔成形方法,该方法是采用电弧热、电阻热、电渣热复合而成的高能热源,熔化连续输送的金属原料丝材,在基材上逐层凝固堆积成形制造转子构件;采用计算机控制电熔头与基材的相对移动,实现熔池在基材上快速冷却逐层凝固堆积,最终逐层堆积成形转子构件,汽轮机高中压转子的材料为12Cr系汽轮机高中压转子钢,电熔制备所用金属原料丝材C含量0.08‑0.15%,电熔制得的材料C含量0.04‑0.10%,晶粒度7‑10级。采用本发明具有高效、低成本、良好力学性能等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种超超临界高中压转子电熔成形方法。
背景技术
超超临界机组,其发电煤耗低于300Kg/kwh,比同容量的亚临界机组每度电少耗煤20g左右,因此是我国清洁煤发电技术的主要发展方向,也是解决目前电力短缺、能源利用率低和环境污染严重等问题的现实和有效的途径。
超超临界高中压转子是在高温高压环境下运行的合金钢锻件,运行条件最为苛刻,安全要求最高,产品制造难度也极大,目前只有德国和日本少数几家企业可以批量生产。我国超临界化起步晚,尽管国内各主要厂家已经开展了大量技术研究,但作为核心部件的12%Cr系高中压转子,由于材料工艺研发问题,和相应配套设备缺乏等原因,目前12%Cr系高中压转子只能依靠进口。在国际竞争形势日趋激烈的情况下,加速超临界机组用12%Cr系高中压转子材料研发,实现传统铸锻工艺的优化与批量生产,加快国产化步伐,积极展开新型材料制造技术的研发等,具有重要的经济意义和深远的战略意义。
发明内容
有鉴于此,本发明的主要目的在于,提供一种高效、低成本、具有良好力学性能的超超临界高中压转子电熔成形方法。
为达到上述目的,本发明中超超临界高中压转子电熔成形方法是采用电弧热、电阻热、电渣热复合而成的高能热源熔化原料丝材,在基材上逐层堆积成形的方式;
将电熔头与基材接至电源两极,成形时金属原料丝材经由输送机构和电熔头送至基材表面,在颗粒状辅料的堆积保护下,原料丝材与基材间产生电弧,熔化部分堆敷辅料形成熔融渣池,电流流过原料丝材和熔融辅料渣池形成电阻热和电渣热,在电弧热、电阻热、电渣热三种热复合高能热源作用下使原料丝材熔化,在基材表面形成局部熔池,持续输送原料丝材与辅料,根据成形构件的分层切片数据,采用计算机控制电熔头与基材的相对移动,实现熔池在基材上快速冷却逐层凝固堆积,最终逐层堆积成形转子构件。
汽轮机高中压转子的材料为12%Cr系汽轮机高中压转子钢,电熔制备所用金属原料丝材C含量0.08-0.15%,电熔制得的材料C含量0.04-0.10%,晶粒度7-10级。
本发明中,原料丝材按照不同转子材料要求特殊制备,原料丝材直径可以为2-5mm。
本发明中,根据丝材直径不同,电源参数中的电流为200A~1500A,电压为20V~40V,电源是直流或交流电源,在使用直流电源时,电熔头接正极或负极。
在本发明中,根据成形工件要求,对基材或堆积金属进行加热或冷却,控制基材或堆积金属层的表面温度为100~400℃。能够实现熔池的快速凝固和定向凝固,从而获得晶粒细密、无宏观偏析、组织均匀的材料,极大的改善成形工件的塑性、韧性,尤其是高温力学性能。
在本发明中,根据转子钢尺寸和成形效率要求,电熔头的数量可以设定为1~100个,多电熔头排布时,相邻电熔头间距为50~500mm。
在本发明中,所述基材可以为钢管或钢棒,外径100-300mm,基材长度与转子长度一致,用于为转子工件提供工装支撑,并在工件成形后机加工去除,基材为钢管时,管壁壁厚不小于10mm。
采用本发明,在逐层成形的过程中,原料丝在下层金属表面形成熔池,熔滴以射流形态进入熔池后凝固使两层金属形成一体,实现分层成形,整体融合,保证了成形转子的整体性能。
本发明摆脱了复杂的工装、模具和专用工具的约束;成形即为近净形坯件,生产后只需少量精加工,大大简化加工工序,缩短产品周期,大大提高了效率,节省了成本;所成形转子具有媲美传统锻造工艺的力学和化学性能,强度、韧性、耐蚀等性能均十分突出。
附图说明
图1A为用于说明具体实施方式中的电熔成形方法的原理图;
图1B为图1A中A处的局部放大图;
图2为用于说明实施例中的超超临界高中压转子电熔成形方法的示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的具体实施方式进行说明。图1A本实施方式中涉及的金属构件电熔成形方法的原理说明图;图1B为局部放大图。由于是原理图,因而,图中部件是示意性的,其实际形状与尺寸关系不受图中所示限制。
该成形方法是将原料丝材1熔化而逐层(图1中所示为堆积至第N层时的状态)堆积在基础材2上,从而最终形成所需的金属构件。
具体实施工序为:
A.送丝机构5将原料丝材1送至放置于工作台21上的基材2的表面,其上覆盖由送粉机构4输送的颗粒状辅料。
B.启动电源12,电源电压使原料丝材1与基材2间形成电弧9产生电弧热,电弧热使部分辅料3熔融,形成辅料渣池8,电流经由电熔头6流过原料丝材1形成电阻热,并通过熔融渣池8形成电渣热,三种热源复合而成高能热源,熔化原料丝材,在基材2表面形成熔池11。
C. 控制电熔头6与基材2的相对移动和基材2的温度,实现熔池11与基材换热凝固沉积。
D.送丝机构5与送粉机构4持续输送原料丝材1和辅料3,在辅料3覆盖熔池11和基材2的状态下,原料丝材1逐层堆积在基材2上,最终成形工件。
其中,控制装置(计算机)根据成形构件的(数值模拟、数学模型)分层切片数据控制电熔头6与基材2的相对移动方式。
在本发明图示中电熔头电极接正,工件接负只作示意作用,也可以电熔头接负,工件接正,或采取交流电源。
在本发明中,原料丝1的形态可以是圆棒状、带状,实芯或者药芯的;原料丝1的直径可以根据成形工件的尺寸设定为2~5mm;根据丝材1直径不同,伸出电熔头的长度(通电长度)为20mm~150mm。
在本发明中,辅料3覆盖厚度为15mm~120mm,使用辅料3的作用包括:覆盖电弧9,防止电弧飞溅;覆盖熔池11,隔绝空气,使熔池金属免受空气中氧、氮、氢等的侵害;对熔池金属形成保温;冶金反应过程中去除杂质、掺入合金;形成的渣池8(渣壳7)以机械方式保护沉积金属10良好成形等。
辅料3的成分包含氧化物或者氧化物与卤化物,由于辅料3参与熔池反应,调整工件(金属构件、产品)成分,因而根据所要形成的金属构件的成分和效率要求,可以在辅料中添加合金粉末以及/或者单质金属粉末,降低生产成本。
另外,在C工序中,可以附带回收残余辅料以及去除渣池8凝固而形成的渣壳7的操作。去除时,可以在原料丝1的相对移动后方400mm~500mm处开始机器去除或人工去除作业。
采用本实施方式的电熔成形方法,原料丝利用率接近100%;相比现有的加工技术(锻造、铸造等),制造工序少(不需要复杂的热处理),周期短,效率高,金属构件的机械加工余量非常小,同时减少了精加工时间及节约了大量的材料。
在本发明中,为了保证形成良好的高能热源,尤其是为了产生充分的电渣热,可以适当地调节辅料的成分、原料丝材的直径、电流、基材与原料丝材的相对移动速度等参数。
【实施例】
本实例描述通过卧式电熔成形方法制作超超临界高中压转子,超超临界高中压转子的长度为4900mm,最大外径为1130mm,其材料为12%Cr系汽轮机高中压转子钢,电熔制备所用金属原料丝材C含量0.08-0.15%,基材选用42CrMo棒材,所使用的设备包括:
(1)回转支撑台;
(2)电熔电源;
(3)电熔头;
(4)自动送丝装置;
(5)辅料自动输送与辅料自动回收装置;
(6)加热装置;
(7)冷却装置;
(8)基材;
(9)控制装置(计算机)。
图2为用于表示本实施例的电熔成形方法的示意性说明图,图中省略了电源、自动送丝装置等装置。材料电源参数如下:
1)选用原料丝材101、直径3mm,C含量0.08-0.15%;
2)20个电熔头601;
3)电熔电源为直流电源,采用电熔头601接电源负极,基材201接电源正极;
4)电熔工艺参数为:电熔电流600A,电熔电压30V,电熔头601与基材201相对移动速度350~450mm/min;
5)基材201为42CrMo棒材,直径250mm,长6米。
采用金属构件电熔成形方法制作构件,其实施步骤如下:
(1)将基材201的轴线水平配置,并支撑在支撑滚轮架上上,先将21个电熔头601以约250mm的间距(通过中央控制装置精确定位和排布)平均横向布置在基材201的上方,且调整好每个电熔头601与基材201表面(外周面)的距离,并选取电熔的起点;
(2)将原料丝材101与辅料301送至基材201表面,启动电源,导入高能热源,熔化原料丝材101及辅料301,同时转动基材201,开始每个电熔头601第一层第一道(每一层由轴向排列的多道构成)的电熔沉积;
(3)当电熔头601与电熔起点之间形成一段距离后,开始启动辅料301回收装置将其未熔化的辅料301收回,露出渣壳并将其清除,以便于下一道的电熔沉积(堆积);随后启动冷却装置或加热装置对电熔沉积金属进行冷却或加热,将其基体(第一层时是指基材201,其他层时是指前一层堆积金属)的温度控制在200~300℃;
(4)当基材201转动一圈完成第一道电熔沉积时,在控制装置的控制下,所有电熔头601同时往左直线移动3/4熔道宽度距离,同时调整各电熔头601与基材201的表面之间的距离,以保证电熔的稳定性,之后开始第一层第二道的电熔沉积成形,此过程中要保证其左右圈道间搭接良好;
(5)当第二道完成后,重复步骤(4)再完成其它的电熔沉积道的成形,当达到最后一道时,(对于同一台阶的电熔头601而言)一道起点要搭接良好,以至完成第一层的电熔沉积;在此过程中,在中央控制装置的控制下,先完成一层堆积的电熔头601停止在左右方向移动,等待其他电熔头601完成一层堆积(在其他层的堆积时也是如此)。
(6)当完成第一层的电熔沉积后,所有电熔头601自动提升一层沉积厚度(即层后)之高度,第一层电熔头601的结束点即为第二层第一道的开始点,重复(1)-(4)的操作完成第二层的堆积;
(7)重复(6)的操作沿CAD切片轨迹完成需要层数堆积,使工件初步成为一个轴体;
(8)对图示工件形状(轴体上的突起),中央控制装置按照CAD切片轨迹,确定后续参与堆积电熔头,并控制各电熔头601重新排布和定位;
(9)按照转子构件的CAD切片轨迹操作,并适时控制特定电熔头工作与停止,对工作电熔头按照(1)至步骤(7),完成其它电熔沉积层,最终连续电熔沉积形成整个转子钢构件(毛坯)。
电熔成形后,机加工去除基材201即获得所需低压转子材料。
采用本实施例,电熔制得的材料C含量0.04-0.10%,晶粒度7-10级,
采用本实施例,由于是多个电熔头601并排排布成形,因而,能够提高成形效率。
Claims (6)
1.一种超超临界高中压转子电熔成形方法,其特征在于:
该方法是采用电弧热、电阻热、电渣热复合而成的高能热源,熔化连续输送的金属原料丝材,在基材上逐层凝固堆积成形制造转子构件;
将电熔头与基材接至电源两极,成形时金属原料丝材经由输送机构和电熔头送至基材表面,在颗粒状辅料的堆积保护下,原料丝材与基材间产生电弧,熔化部分堆敷辅料形成熔融渣池,电流流过原料丝材和熔融辅料渣池形成电阻热和电渣热,在电弧热、电阻热、电渣热三种热复合高能热源作用下使原料丝材熔化,在基材表面形成局部熔池,持续输送原料丝材与辅料,根据成形构件的分层切片数据,采用计算机控制电熔头与基材的相对移动,实现熔池在基材上快速冷却逐层凝固堆积,最终逐层堆积成形转子构件,
汽轮机高中压转子的材料为12Cr系汽轮机高中压转子钢,电熔制备所用金属原料丝材C含量0.08-0.15%,电熔制得的材料C含量0.04-0.10%,晶粒度7-10级。
2.根据权利要求1所述的超超临界高中压转子电熔成形方法,其特征在于:
原料丝材按照转子材料要求制备,原料丝材直径2-5mm。
3.根据权利要求1所述的超超临界高中压转子电熔成形方法,其特征在于:
根据丝材直径不同,电源参数中的电流为200A~1500A,电压为20V~40V,电源是直流或交流电源,在使用直流电源时,电熔头接正极或负极。
4.根据权利要求1所述的超超临界高中压转子电熔成形方法,其特征在于:
根据成形工件要求,对基材或堆积金属进行加热或冷却,控制基材或堆积金属层的表面温度为100~400℃。
5.根据权利要求1所述的超超临界高中压转子电熔成形方法,其特征在于:
根据转子钢尺寸和效率要求,电熔头的数量设定为1~100个,多电熔头排布时,相邻电熔头间距为50~500mm。
6.根据权利要求1所述的超超临界高中压转子电熔成形方法,其特征在于:
所述基材为钢管或钢棒,外径100-300mm,长度与转子长度一致,用于为转子工件提供工装支撑,并在工件成形后机加工去除,基材为钢管时,管壁壁厚不小于10mm。
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