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CN114635075A - 一种高强度高塑韧性的叶片材料 - Google Patents

一种高强度高塑韧性的叶片材料 Download PDF

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CN114635075A
CN114635075A CN202011479572.4A CN202011479572A CN114635075A CN 114635075 A CN114635075 A CN 114635075A CN 202011479572 A CN202011479572 A CN 202011479572A CN 114635075 A CN114635075 A CN 114635075A
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less
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安春香
梅林波
孙林根
王煜
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Shanghai Electric Power Generation Equipment Co Ltd
Original Assignee
Shanghai Electric Power Generation Equipment Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种高强度高塑韧性的叶片材料，由以下重量百分比的元素组成：C：0.02～0.05％，Si：≤1.0％，Mn：≤1.0％，P：≤0.02％，S：≤0.01％，Cr：14.0～16.0％，Ni：6.0～7.0％，Mo：0.5～1.2％，Cu：1.25～1.75％，Nb：8×C～20×C％，V：0.02～0.20％，N：0.005～0.040％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明进一步提供一种高强度高塑韧性的叶片材料的用途及其制备方法。本发明提供的一种高强度高塑韧性的叶片材料，在保持较好的塑性和韧性的同时，屈服强度显著提高，可以满足要求更高强度、塑性和韧性的汽轮机叶片的需要。

Description

一种高强度高塑韧性的叶片材料
技术领域
本发明属于金属材料的技术领域，涉及一种高强度高塑韧性的叶片材料。
背景技术
在国家标准GB/T8732-2014中，强度最高、塑性和韧性最好的叶片材料为沉淀硬化型马氏体不锈钢05Cr17Ni4Cu4Nb，但其屈服强度Rp0.2为890～980MPa，抗拉强度Rm为950～1020MPa，仍然不能满足更长的汽轮机低压末级叶片对材料强度的要求。目前，国内外也研发过其他高强度叶片材料，但材料的塑性和韧性仍不能满足汽轮机更长叶片的安全性设计要求。因此必须开发出一种强度更高、塑韧性更好的汽轮机叶片材料。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高强度高塑韧性的叶片材料，用于提高现有技术中汽轮机叶片材料的强度、塑性和韧性。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种高强度高塑韧性的叶片材料，由以下重量百分比的元素组成：
C(碳)：0.02～0.05％，Si(硅)：≤1.0％，Mn(锰)：≤1.0％，P(磷)：≤0.02％，S(硫)：≤0.01％，Cr(铬)：14.0～16.0％，Ni(镍)：6.0～7.0％，Mo(钼)：0.5～1.2％，Cu(铜)：1.25～1.75％，Nb(铌)：8×C～20×C％，V(钒)：0.02～0.20％，N(氮)：0.005～0.040％，余量为Fe(铁)和不可避免的杂质。
上述8×C～20×C％是指Nb(铌)的含量为C含量的8-20倍。
优选地，所述高强度高塑韧性的叶片材料，由以下重量百分比的元素组成：
C(碳)：0.02～0.05％，Si(硅)：0.2～0.6％，Mn(锰)：0.2～0.8％，P(磷)：≤0.02％，S(硫)：≤0.01％，Cr(铬)：14.0～16.0％，Ni(镍)：6.2～6.8％，Mo(钼)：0.5～1.0％，Cu(铜)：1.35～1.75％，Nb(铌)：8×C～15×C％，V(钒)：0.02～0.10％，N(氮)：0.005～0.030％，余量为Fe(铁)和不可避免的杂质。
上述8×C～20×C％是指Nb(铌)的含量为C含量的8-15倍。
优选地，所述杂质选自Al(铝)、Sn(锡)、Ag(银)、Pb(铅)中的一种或多种元素。
上述不可避免的杂质是叶片冶炼过程中不可避免沾染的微量杂质元素。
更优选地，所述杂质中元素的重量百分比含量符合以下要求：
Al：≤0.03％，Sn：≤0.10％，Ag：≤0.01％，Pb：≤0.01％。
本发明第二方面提供上述高强度高塑韧性的叶片材料在汽轮机叶片中的用途。
本发明第三方面提供一种高强度高塑韧性的叶片材料的制备方法，按元素配比取原料混合后冶炼、重熔成钢锭，将钢锭进行锻造成毛坯，再将毛坯进行热处理、机械加工，以提供所述叶片材料。
优选地，所述冶炼为电弧炉冶炼。
更优选地，所述电弧炉冶炼为碱性电弧炉冶炼。上述碱性电弧炉冶炼为常规的电弧炉冶炼工艺。
优选地，所述重熔选自电渣重熔或真空自耗重熔中的一种。上述电渣重熔或真空自耗重熔为常规的重熔工艺。
优选地，所述锻造选自热轧、自由锻或模锻中的一种或多种组合。上述热轧、自由锻或模锻为常规的锻造工艺。
优选地，所述热处理依次进行固溶热处理、时效热处理，所述固溶热处理的条件为：固溶温度为1020-1050℃，固溶时间为1.5-2.5h，油冷或强风冷；所述时效热处理的条件为：时效温度为465-495℃，时效时间为8.5-9.5h，空冷。
所述固溶热处理和时效热处理能够改进毛坯的综合力学性能。所述固溶热处理类似淬火处理。所述时效热处理类似回火处理。
上述机械加工为常规的机械加工工艺，能够将毛坯加工成不同的形状的叶片。
如上所述，本发明提供的一种高强度高塑韧性的叶片材料，与现有的叶片材料如05Cr17Ni4Cu4Nb相比，提高了配方中的Mn和Ni元素的含量，降低了Cu元素的含量，添加了合金元素Mo、V和N，同时对C、Si、Mn、P、S、Sn、Ag、Pb等元素做了进一步的限定，使得该叶片材料保持较好的塑性和韧性的同时，屈服强度显著提高，可达到1160MPa以上。本发明中叶片材料，可以满足要求更高强度、塑性和韧性的汽轮机叶片的需要。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
按配比取各元素组分，如表1所示，各组分由以下重量百分比的元素组成：
C：0.03％，Si：0.3％，Mn：0.4％，P：0.01％，S：0.001％，Cr：14.5％，Ni：6.3％，Mo：0.7％，Cu：1.40％，Nb：0.35％，V：0.05％，N：0.014％，余量为Fe和不可避免的杂质。
其中，如表2所示，杂质中元素的重量百分比含量为：
Al：0.004％，Sn：0.01％，Ag：0.001％，Pb：0.001％。
按上述各元素配比取原料混合后，采用碱性电弧炉冶炼后，采用电渣重熔成钢锭，将钢锭进行自由锻成圆棒毛坯。再将毛坯依次进行固溶热处理、时效热处理，固溶热处理的条件为：固溶温度为1038℃，固溶时间为2h，油冷；时效热处理的条件为：时效温度为482℃，时效时间为9h，空冷。最后进行机械加工，即得叶片材料样品1#。
实施例2
按配比取各元素组分，如表1所示，各组分由以下重量百分比的元素组成：
C：0.05％，Si：0.5％，Mn：0.6％，P：0.01％，S：0.002％，Cr：15.0％，Ni：6.7％，Mo：0.9％，Cu：1.65％，Nb：0.50％，V：0.08％，N：0.027％，余量为Fe和不可避免的杂质。
其中，如表2所示，杂质中元素的重量百分比含量为：
Al：0.02％，Sn：0.01％，Ag：0.005％，Pb：0.003％。
按上述各元素配比取原料混合后，采用碱性电弧炉冶炼后，采用真空自耗重熔成钢锭，将钢锭进行自由锻成圆棒毛坯，然后模锻成叶片毛坯。再将毛坯依次进行固溶热处理、时效热处理，固溶热处理的条件为：固溶温度为1025℃，固溶时间为2h，油冷；时效热处理的条件为：时效温度为475℃，时效时间为9h，空冷。最后进行机械加工，即得叶片材料样品2#。
实施例3
按配比取各元素组分，如表1所示，各组分由以下重量百分比的元素组成：
C：0.05％，Si：0.4％，Mn：0.5％，P：0.01％，S：0.001％，Cr：15.5％，Ni：6.5％，Mo：1.0％，Cu：1.50％，Nb：0.45％，V：0.12％，N：0.033％，余量为Fe和不可避免的杂质。
其中，如表2所示，杂质中元素的重量百分比含量为：
Al：0.01％，Sn：0.01％，Ag：0.005％，Pb：0.003％。
按上述各元素配比取原料混合后，采用碱性电弧炉冶炼后，采用真空自耗重熔成钢锭，将钢锭进行热轧成扁钢毛坯。再将毛坯依次进行固溶热处理、时效热处理，固溶热处理的条件为：固溶温度为1045℃，固溶时间为2h，油冷；时效热处理的条件为：时效温度为490℃，时效时间为9h，空冷。最后进行机械加工，即得叶片材料样品3#。
对比例1
按国家标准GB/T8732-2014，制备沉淀硬化型马氏体不锈钢05Cr17Ni4Cu4Nb，作为叶片材料，获得叶片材料样品1*。叶片材料样品1*中的元素组成如表1、2所示。
由叶片材料样品1*与叶片材料样品1#～3#比较可知，叶片材料样品1#～3#中提高了Mn和Ni元素的含量，降低了Cu元素的含量，添加了合金元素Mo、V和N，同时对C、Si、Mn、P、S、Sn、Ag、Pb等元素做了进一步的限定。
表1实施例1-3和对比例1中样品的必要元素含量(wt.％)
Figure BDA0002837033510000041
表2实施例1-3和对比例1中样品的杂质元素含量(wt.％)
元素名称 实施例1 实施例2 实施例3 对比例1*(05Cr17Ni4Cu4Nb)
Al 0.004 0.02 0.01 0.02
Sn 0.01 0.01 0.01 0.015
Ag 0.001 0.005 0.003 0.005
Pb 0.001 0.003 0.001 0.003
测试例1
从本发明实施例1～3中制备的叶片材料样品1#～3#上取样，与对比例1中的叶片材料样品1*，分别按照GB/T228.1和GB/T229标准进行了室温拉伸和冲击试验，测试结果见表3。由表3可知，本发明实施例1～3中制备的叶片材料样品1#～3#，屈服强度Rp0.2和抗拉强度Rm远高于叶片材料样品1*，其屈服强度可达到1160MPa以上。同时，本发明实施例1～3中制备的叶片材料样品1#～3#，其断后伸长率A、断面收缩率Z和冲击韧性KV2也高于现有叶片材料，可以满足要求更高强度、塑性和韧性的汽轮机叶片的需要。
表3叶片材料样品力学性能
R<sub>p0.2</sub>/MPa R<sub>m</sub>/MPa A/％ Z/％ KV2
实施例1 1193 1253 20 72 140
实施例2 1206 1284 19 65 96
实施例3 1210 1290 17 60 90
对比例1 965 1005 17 63 80
综上所述，本发明提供的一种高强度高塑韧性的叶片材料，在保持较好的塑性和韧性的同时，屈服强度显著提高，可以满足要求更高强度、塑性和韧性的汽轮机叶片的需要。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种叶片材料，由以下重量百分比的元素组成：
C：0.02～0.05％，Si：≤1.0％，Mn：≤1.0％，P：≤0.02％，S：≤0.01％，Cr：14.0～16.0％，Ni：6.0～7.0％，Mo：0.5～1.2％，Cu：1.25～1.75％，Nb：8×C～20×C％，V：0.02～0.20％，N：0.005～0.040％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种叶片材料，其特征在于，所述叶片材料由以下重量百分比的元素组成：
C：0.02～0.05％，Si：0.2～0.6％，Mn：0.2～0.8％，P：≤0.02％，S：≤0.01％，Cr：14.0～16.0％，Ni：6.2～6.8％，Mo：0.5～1.0％，Cu：1.35～1.75％，Nb：8×C～15×C％，V：0.02～0.10％，N：0.005～0.030％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种叶片材料，其特征在于，所述杂质选自Al、Sn、Ag、Pb中的一种或多种元素。
4.根据权利要求3所述的一种叶片材料，其特征在于，所述杂质中元素的重量百分比含量符合以下要求：
Al：≤0.03％，Sn：≤0.10％，Ag：≤0.01％，Pb：≤0.01％。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种叶片材料在汽轮机叶片中的用途。
6.根据权利要求1-4任一所述的一种叶片材料的制备方法，按元素配比取原料混合后冶炼、重熔成钢锭，将钢锭进行锻造成毛坯，再将毛坯进行热处理、机械加工，以提供所述叶片材料。
7.根据权利要求6所述的一种叶片材料的制备方法，其特征在于，所述冶炼为电弧炉冶炼。
8.根据权利要求6所述的一种叶片材料的制备方法，其特征在于，所述重熔选自电渣重熔或真空自耗重熔中的一种。
9.根据权利要求6所述的一种叶片材料的制备方法，其特征在于，所述锻造选自热轧、自由锻或模锻中的一种或多种组合。
10.根据权利要求6所述的一种叶片材料的制备方法，其特征在于，所述热处理依次进行固溶热处理、时效热处理，所述固溶热处理的条件为：固溶温度为1020-1050℃，固溶时间为1.5-2.5h，油冷或强风冷；所述时效热处理的条件为：时效温度为465-495℃，时效时间为8.5-9.5h，空冷。
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