CN116262963A - 一种燃气轮机压气机用轮盘锻件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及轮盘锻件的技术领域，公开了一种燃气轮机压气机用轮盘锻件及其制备方法，按重量百分比计，所述轮盘锻件的原料成分包括：C：0.20～0.43%，Si≤0.15%，Mn≤1.05%，Ni：0.50～1.00%，Cr：1.95～2.60%，Mo：0.85～1.15%，V：0.16～0.30%，Nb+Ta：0.03～0.11%，Al≤0.020%，P≤0.017%，S≤0.017%，Sb≤0.017%，Cu≤0.15%，Sn≤0.017%，As≤0.020%，其余为Fe元素。本发明通过合理的轮盘材料元素化学成分配比以及合理的锻造及热处理工艺，使其能够满足燃气轮机压气机用轮盘锻件的使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及轮盘锻件的技术领域，尤其涉及一种燃气轮机压气机用轮盘锻件及其制备方法。
背景技术
燃气轮机是装备制造业“皇冠的上明珠”，代表了高端制造业的最高水平。燃气轮机具有启动速度快、高效率、低排放等优点，已成为高效能源***的核心动力装备之一，特别是在“碳达峰，碳中和”的目标下，我国燃气轮机行业必将迎来快速发展，相应的配套铸锻件行业有广阔的市场前景。
燃气轮机压气机用轮盘锻件材质为中碳铬镍钼钒钢，力学性能要求苛刻。这种轮盘锻件的难点在于满足高强度指标的同时又需要保证材料的韧塑性要求，满足高温拉伸、持久性能的同时又要满足较低的韧脆性转变温度，此外成品锻件要求具有较低的残余应力。因此，鉴于燃气轮机压气机用轮盘锻件性能要求苛刻，亟需开发一种新的锻件材料以及制备方法满足燃气轮机压气机用轮盘高性能的要求。
公开号为CN 102719761 B的中国发明专利公开了一种轮盘锻件及制造工艺，属于机械制造技术领域，该工艺对材料成分进行进一步优化，控制C、Mn元素含量上限，提高Ni元素含量，降低P、S有害元素含量，降低Si含量以降低与Mn元素的回火脆性；增加电渣重熔工艺提高钢水的纯净度，通过锻后热处理采用两次正火处理进一步使材料均质化并细化了晶粒；其原材料组分为：C、Mn、Si、P、S、Cr、Ni、Al、Cu、Fe。虽然该轮盘锻件能够满足强度指标和较好的力学性能，但是，其无法同时具有较低的韧脆性转变温度，材料的韧塑性要求无法得到满足。
发明内容
为了使得轮盘锻件满足高强度指标的同时又需要保证材料的韧塑性要求的技术问题，本发明提供了一种燃气轮机压气机用轮盘锻件及其制备方法，通过合理的轮盘材料元素化学成分配比，严格控制有害元素含量，再通过合理的锻造及热处理工艺，使得锻件材料性能能够满足燃气轮机压气机用轮盘锻件的使用要求。
本发明的具体技术方案为：
第一方面，本发明提供了一种燃气轮机压气机用轮盘锻件，按重量百分比计，所述轮盘锻件的原料成分包括：C：0.20～0.43％，Si≤0.15％，Mn≤1.05％，Ni：0.50～1.00％，Cr：1.95～2.60％，Mo：0.85～1.15％，V：0.16～0.30％，Nb+Ta：0.03～0.11％，Al≤0.020％，P≤0.017％，S≤0.017％，Sb≤0.017％，Cu≤0.15％，Sn≤0.017％，As≤0.020％，其余为Fe元素。
本发明通过合理的轮盘材料元素化学成分配比，严格控制有害元素含量，控制C、Si、Mn元素含量上限，适当提高Ni元素的含量，同时加入适量的Nb和Ta进一步提高合金的晶界强化效果。因而，所制得的轮盘锻件能够满足强度指标和较好的力学性能，同时具有较低的韧脆性转变温度，满足材料的韧塑性要求。
作为优选，所述Nb元素的重量百分比为0.01～0.08％；所述Ta元素的重量百分比为0.02～0.08％。
第二方面，本发明还提供了一种燃气轮机压气机用轮盘锻件的制备方法，包括如下步骤：
(1)将轮盘锻件的原料成分熔炼为钢锭，将钢锭进行阶梯性加热和锻造，得到轮盘锻件毛坯；(2)将轮盘锻件毛坯进行预备热处理，预备热处理包括依次进行的正火处理和第一次回火处理；主要为改善锻件内部组织，细化晶粒和降低残余应力，为性能热处理做好准备。
(3)将步骤(2)中所得毛坯进行粗加工，再进行性能热处理，性能热处理包括依次进行的淬火处理和第二次回火处理，最终得到轮盘锻件。
将原料成分通过优化的锻造及热处理工艺，得到的锻件材料性能如下：室温抗拉强度Rm≥855MPa,屈服强度Rp0.2≥700MPa,延伸率A≥12％，断面收缩率Z≥45％，冲击性能KV2大于≥41J，硬度HBW255～303；韧脆性转变温度FATT50≤-11℃；400℃抗拉强度Rm≥690MPa,屈服强度Rp0.2≥580MPa,延伸率A≥12％，断面收缩率Z≥45％；在500℃、428MPa下持久时间≥100h；成品锻件的残余应力≤59MPa。满足了燃气轮机压气机用轮盘锻件的使用要求。
预备热处理主要为改善锻件内部组织，细化晶粒和降低残余应力，为性能热处理做好准备。性能热处理包括依次进行的淬火处理和第二次回火处理，通过淬火获得马氏体组织，提高锻件的强度，然后通过回火得到均匀的回火索氏体，使锻件具有优异的综合机械性能，在保持较高强度的同时又具有较好塑性和韧性。
作为优选，所述正火处理为：先升温至200～300℃，保温2～4h；再以≤80℃/h的加热速度升温至700～720℃，保温2～4h；再以≤80℃/h的加热速度升温至900～990℃，保温10～20h之后出炉空冷至室温。
通过正火处理进行奥氏体化，之后冷却得到索氏体组织，能够改善锻件内部组织、细化晶粒，采用阶梯加热的方式主要是防止因加热过快导致应力增加，从而导致锻件开裂等缺陷。
作为优选，所述第一次回火处理为：先升温至200～300℃，保温2～4h；再升温至640～660℃，保温10～20h；之后随炉冷却至≤200℃，再出炉空冷至室温。
第一次回火处理主要为降低残余应力，为性能热处理打下良好的基础。
作为优选，所述淬火处理为：先升温至200～300℃，保温2～4h；再以≤60℃/h的加热速度升温至700～720℃，保温2～4h；再以≤60℃/h的加热速度升温至910～950℃，保温4～10h，之后出炉水冷至室温。
通过淬火进行充分的奥氏体均匀化处理，再通过水冷使锻件充分的淬透，获得更多的马氏体组织，保证了锻件的高强度性能。
作为优选，所述第二次回火处理为：先升温至150～200℃，保温2～4h；再升温至640～660℃，保温15～30h；之后随炉冷却至≤200℃，再出炉空冷至室温。
通过高温回火得到了均匀的回火索氏体，使锻件具有优异的综合机械性能，在保持较高强度的同时又具有较好塑性和韧性，保证了锻件较低的韧脆性转变温度。
作为优选，步骤(1)中，所述阶梯性加热为：将钢锭放入加热炉中升温至840～870℃，保温4～6h后，继续加热升温至1250～1280℃，保温1～2h。
作为优选，所述锻造包括四次锻造，第一次锻造为将钢锭进行压把、倒棱、切除水口；第二次锻造为将钢锭进行镦粗、拔长；第三次锻造为将钢锭进行滚圆，并按轮盘要求大小进行下料；第四次锻造为将钢锭进行镦粗、展压，得到轮盘锻件毛坯要求尺寸。
作为优选，所述锻造时的温度为840～1280℃；当钢锭的温度低于850℃时，需将钢锭至于加热炉中加热至1250℃～1280℃并保温1～2h，再继续进行锻造。所述第二次锻造过程中的镦粗变形量为10％～60％，拔长变形量为20％～80％。
通过镦粗、拔长将粗大铸态组织破碎、细化均匀组织，锻合缩孔、疏松和气孔等缺陷，从而改善锻件内部质量。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过合理的轮盘材料元素化学成分配比，严格控制有害元素含量，通过合理的锻造及热处理工艺，使得锻件材料性能能够满足燃气轮机压气机用轮盘锻件的使用要求。
附图说明
图1为燃气轮机压气机用轮盘锻件的热处理曲线图；
图2为燃气轮机压气机用轮盘锻件的锻造工艺示意图；
图3为燃气轮机压气机用轮盘锻件的成品示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
一种燃气轮机压气机用轮盘锻件的原料成分如表1所示：
表1
其中，Nb元素的重量百分比为0.02％；Ta元素的重量百分比为0.03％。
上述燃气轮机压气机用轮盘锻件的制备方法，包括如下步骤：
(1)将轮盘锻件的原料成分按真空碳脱氧冶炼方法生产钢锭，将钢锭进行阶梯性加热，将钢锭放入加热炉中升温至845℃，保温4h后，继续加热升温至1260±10℃，保温1h；再进行四次锻造，锻造时的温度保持为840～1280℃，当钢锭的温度低于850℃时，需将钢锭至于加热炉中加热至1250℃～1280℃并保温1～2h；如图2所示，第一次锻造为将钢锭进行压把、倒棱、切除水口；第二次锻造为将钢锭进行镦粗、拔长，镦粗变形量为15％，拔长变形量为70％；第三次锻造为将钢锭进行滚圆，并按轮盘要求大小进行下料；第四次锻造为将钢锭进行镦粗、展压，按照要求尺寸，得到轮盘锻件毛坯。
(2)如图1所示，将轮盘锻件毛坯进行预备热处理，预备热处理包括依次进行的正火处理和第一次回火处理：
正火：先升温至250±10℃，保温2h；再以50℃/h的加热速度升温至710±5℃，保温2h；再以70℃/h的加热速度升温至910±5℃，保温10h，之后出炉空冷至室温；
第一次回火：先升温至250±10℃，保温2h；再升温至650±5℃，保温10h；之后随炉冷却至150℃，再出炉空冷至室温。
(3)将步骤(2)中所得毛坯进行粗加工，再进行性能热处理，性能热处理包括依次进行的淬火处理和第二次回火处理：
淬火：先升温至210±10℃，保温2h；再以45℃/h的加热速度升温至710±5℃，保温2h；再以40℃/h的加热速度升温至915±5℃，保温4h，之后出炉水冷至室温；
第二次回火：先升温至160±10℃，保温2h；再以35℃/h的加热速度升温至645±5℃，保温15h；之后以10℃/h的冷却速度冷却至150℃，再出炉空冷至室温。
如图3所示为燃气轮机压气机用轮盘锻件的成品示意图。
实施例2
一种燃气轮机压气机用轮盘锻件的原料成分如表2所示：
表2
其中，Nb元素的重量百分比为0.03％；Ta元素的重量百分比为0.04％。
上述燃气轮机压气机用轮盘锻件的制备方法，包括如下步骤：
(1)将轮盘锻件的原料成分按真空碳脱氧冶炼方法生产钢锭，将钢锭进行阶梯性加热，将钢锭放入加热炉中升温至845℃，保温4h后，继续加热升温至1260±10℃，保温1h；再进行四次锻造，锻造时的温度保持为840～1280℃，当钢锭的温度低于850℃时，需将钢锭至于加热炉中加热至1250～1280℃并保温1～2h；第一次锻造为将钢锭进行压把、倒棱、切除水口；第二次锻造为将钢锭进行镦粗、拔长，镦粗变形量为30％，拔长变形量为60％；第三次锻造为将钢锭进行滚圆，并按轮盘要求大小进行下料；第四次锻造为将钢锭进行镦粗、展压，按照要求尺寸，得到轮盘锻件毛坯。
(2)将轮盘锻件毛坯进行预备热处理，预备热处理包括依次进行的正火处理和第一次回火处理：
正火：先升温至250±10℃，保温2h；再以55℃/h的加热速度升温至710±5℃，保温2.5h；再以65℃/h的加热速度升温至920℃，保温13h，之后出炉空冷至室温；
第一次回火：先升温至250±10℃，保温3h；再升温至650±5℃，保温10h；之后随炉冷却至160℃，再出炉空冷至室温。
(3)将步骤(2)中所得毛坯进行粗加工，再进行性能热处理，性能热处理包括依次进行的淬火处理和第二次回火处理：
淬火：先升温至280±10℃，保温2.5h；再以50℃/h的加热速度升温至710±10℃，保温3h；再以50℃/h的加热速度升温至945±5℃，保温5h，之后出炉水冷至室温；
第二次回火：先升温至180±10℃，保温3h；再以40℃/h的加热速度升温至645±5℃，保温20h；之后以15℃/h的冷却速度冷却至180℃，再出炉空冷至室温。
对比例1
一种燃气轮机压气机用轮盘锻件的原料成分如表3所示：
表3
上述燃气轮机压气机用轮盘锻件的制备方法，采用与实施例1相同的工艺。
包括如下步骤：
(1)将轮盘锻件的原料成分按真空碳脱氧冶炼方法生产钢锭，将钢锭进行阶梯性加热，将钢锭放入加热炉中升温至845℃，保温4h后，继续加热升温至1260±10℃，保温1h；再进行四次锻造，锻造时的温度保持为840～1280℃，当钢锭的温度低于850℃时，需将钢锭至于加热炉中加热至1250℃～1280℃并保温1～2h；第一次锻造为将钢锭进行压把、倒棱、切除水口；第二次锻造为将钢锭进行镦粗、拔长，镦粗变形量为15％，拔长变形量为70％；第三次锻造为将钢锭进行滚圆，并按轮盘要求大小进行下料；第四次锻造为将钢锭进行镦粗、展压，按照要求尺寸，得到轮盘锻件毛坯。
(2)将轮盘锻件毛坯进行预备热处理，预备热处理包括依次进行的正火处理和第一次回火处理：
正火：先升温至250±10℃，保温2h；再以50℃/h的加热速度升温至710±5℃，保温2h；再以70℃/h的加热速度升温至910±5℃，保温10h，之后出炉空冷至室温；
第一次回火：先升温至250±10℃，保温2h；再升温至650±5℃，保温10h；之后随炉冷却至150℃，再出炉空冷至室温。
(3)将步骤(2)中所得毛坯进行粗加工，再进行性能热处理，性能热处理包括依次进行的淬火处理和第二次回火处理：
淬火：先升温至210±10℃，保温2h；再以45℃/h的加热速度升温至710±5℃，保温2h；再以40℃/h的加热速度升温至915±5℃，保温4h，之后出炉水冷至室温；
第二次回火：先升温至160±10℃，保温2h；再以35℃/h的加热速度升温至645±5℃，保温15h；之后以10℃/h的冷却速度冷却至150℃，再出炉空冷至室温。
对实施例1-2和对比例1得到的锻件进行力学性能检测。室温、高温拉伸性能标准分别采用《GB/T 228.1—2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》、《GB/T228.2—2015金属材料拉伸试验第2部分：高温试验方法》；冲击功和韧脆性转变温度测试采用《GB/T229—2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法》；硬度采用《GB/T 231.1—2018金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》；短时持久采用《GB/T 2039-2012金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》；残余应力采用《JB/T 8888—2018环芯法测量汽轮机、汽轮发电机转子锻件残余应力的试验方法》。测试结果如表4和表5所示。
表4
表5
| 锻件性能 | 在500℃、428MPa下持久时间(h) | 残余应力(MPa) |
| 实施例1 | 120 | 50 |
| 实施例2 | 135 | 45 |
| 对比例1 | 121 | 65 |
由表4-5所示，本发明中制备出的锻件满足了燃气轮机压气机用轮盘锻件的要求，而对比例1的锻件尽管采用和实施例1相同的生产工艺，但锻件的化学成分有差异，具体为C、Cr、Mo、V元素超过规定上限，且没有加入Nb和Ta元素，这导致锻件强度有所提高，但韧脆转变温度和残余应力过高，未能满足燃气轮机压气机用轮盘锻件的技术要求。在本发明中的元素配比下才能够达到较好的协同效果，使得锻件材料性能能够满足燃气轮机压气机用轮盘锻件的使用要求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种燃气轮机压气机用轮盘锻件，其特征在于，按重量百分比计，所述轮盘锻件的原料成分包括：C：0.20～0.43%，Si≤0.15%，Mn≤1.05%，Ni：0.50～1.00%，Cr：1.95～2.60%，Mo：0.85～1.15%，V：0.16～0.30%，Nb+Ta：0.03～0.11%，Al≤0.020%，P≤0.017%，S≤0.017%，Sb≤0.017%，Cu≤0.15%，Sn≤0.017%，As≤0.020%，其余为Fe元素。
2.如权利要求1所述燃气轮机压气机用轮盘锻件，其特征在于，所述Nb元素的重量百分比为0.01～0.08%；所述Ta元素的重量百分比为0.02～0.08%。
3.一种如权利要求1-2任一所述燃气轮机压气机用轮盘锻件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将轮盘锻件的原料成分熔炼为钢锭，将钢锭进行阶梯性加热和锻造，得到轮盘锻件毛坯；
（2）将轮盘锻件毛坯进行预备热处理，预备热处理包括依次进行的正火处理和第一次回火处理；
（3）将步骤（2）中所得毛坯进行粗加工，再进行性能热处理，性能热处理包括依次进行的淬火处理和第二次回火处理，最终得到轮盘锻件。
4.如权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述正火处理为：先升温至200～300℃，保温2～4h；再以≤80℃/h的加热速度升温至700～720℃，保温2～4h；再以≤80℃/h的加热速度升温至900～990℃，保温10～20h，之后出炉空冷至室温。
5.如权利要求3或4所述制备方法，其特征在于，所述第一次回火处理为：先升温至200～300℃，保温2～4h；再升温至640～660℃，保温10～20h；之后随炉冷却至≤200℃，再出炉空冷至室温。
6.如权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述淬火处理为：先升温至200～300℃，保温2～4h；再以≤60℃/h的加热速度升温至700～720℃，保温2～4h；再以≤60℃/h的加热速度升温至910～950℃，保温4～10h，之后出炉水冷至室温。
7.如权利要求3或6所述制备方法，其特征在于，所述第二次回火处理为：先升温至150～200℃，保温2～4h；再升温至640～660℃，保温15～30h；之后随炉冷却至≤200℃，再出炉空冷至室温。
8.如权利要求3所述制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述阶梯性加热为：将钢锭放入加热炉中升温至840～870℃，保温4～6h后，继续加热升温至1250～1280℃，保温1～2h。
9.如权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述锻造包括四次锻造，第一次锻造为将钢锭进行压把、倒棱、切除水口；第二次锻造为将钢锭进行镦粗、拔长；第三次锻造为将钢锭进行滚圆，并按轮盘要求大小进行下料；第四次锻造为将钢锭进行镦粗、展压，得到轮盘锻件毛坯要求尺寸。
10.如权利要求9所述制备方法，其特征在于，所述锻造时的温度为840～1280℃；所述第二次锻造过程中的镦粗变形量为10%～60%，拔长变形量为20%～80%。
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