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CN115044818B - 一种650°c及以上等级汽轮机用转子及其制备方法 - Google Patents

一种650°c及以上等级汽轮机用转子及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种650℃及以上等级汽轮机用转子及其制备方法，自一端至另一端依次包括焊接连接的低温段、过渡段、高温段、过渡段和低温段；其中，高温段的材质为析出强化型镍铁基高温合金，过渡段的材质为固溶强化型高温合金，低温段的材质为铁素体耐热钢；高温段与过渡段之间的焊材以及过渡段与低温段之间的焊材均与过渡段的材质相同。最终获得可满足650℃等级汽轮机使用需求的焊接高中压转子部件。结合合理的焊前、焊后热处理工艺获得最优的转子使用性能，获得可满足650℃等级汽轮机使用需求的焊接高中压转子部件。

Description

一种650℃及以上等级汽轮机用转子及其制备方法
技术领域
本发明涉及高温金属材料加工技术领域，具体为一种650℃及以上等级汽轮机用转子及其制备方法。
背景技术
650℃等级燃煤机组高中压转子对候选材料具有极高的要求，超出传统的铁素体耐热钢的性能极限。行业内普遍认为当蒸汽参数达到650℃及以上等级时，应选用高温合金作为高中压转子候选材料。然而，高温合金一般均需采用真空冶炼工艺，因而造成其单炉次合金铸坯尺寸受限，以其作为转子材料则难以避免需要采用焊接的方式连接。固溶强化型高温合金一般具有良好的焊接性能，但成本高昂、强度性能偏低等问题限制了其作为大型转子候选材料的应用。析出强化型高温合金具有易加工成型、强度性能优异、成本低廉等优势，以其作为转子最高温段，并在两侧服役温度较低区域与铁素体耐热钢焊接，可以获得具有优异性价比的焊接转子。然而，析出强化型高温合金焊接及焊后热处理工艺复杂，直接采用其与铁素体钢焊接将对焊接工艺提出极高要求。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明针对下一代高参数(650℃)超超临界火电机组关键高温部件的服役需求，并结合铁基高温合金加工特性，提供一种650℃及以上等级汽轮机用转子及其制备方法，最终获得可满足650℃等级汽轮机使用需求的焊接高中压转子部件。
本发明通过以下技术方案实现：
一种650℃及以上等级汽轮机用转子，自一端至另一端依次包括焊接连接的低温段、过渡段、高温段、过渡段和低温段；其中，高温段的材质为析出强化型镍铁基高温合金，过渡段的材质为固溶强化型高温合金，低温段的材质为铁素体耐热钢；高温段与过渡段之间的焊材以及过渡段与低温段之间的焊材均与过渡段的材质相同。
优选的，按照质量百分比计，所述析出强化型镍铁基高温合金的成分满足Fe：35％-45％，Cr：15％-21％，Mo：0.5％-1.4％，W：0.1％-0.8％，Ti：1.8％-2.5％，Al：0.8％-2.5％，Mn：≤1.0％，Nb：≤0.1％，Co：≤2％，Si：≤0.05％，C：0.03％-0.10％，B：0.001％-0.005％，P：≤0.01％，余量为Ni；所述的Cr+Ni的重量百分比大于50％，W+Mo的重量百分比为0.6％-1.5％。
进一步的，高温段的析出相满足L12结构。
优选的，固溶强化型高温合金为In625或Haynes 230。
优选的，低温段的材质为9％-12％Cr铁素体耐热钢。
所述的650℃及以上等级汽轮机用转子的制备方法，包括：
步骤1，对高温段进行焊前热处理；
步骤2，将高温段与过渡段焊接连接；
步骤3，高温段与过渡段焊接后进行热处理；
步骤4，将过渡段与低温段焊接连接；
步骤5，过渡段与低温段焊接后进行热处理。
优选的，步骤1中对高温段进行焊前热处理具体是：将高温段升温至850-950℃保温0.5h-2h，保温完成后以3℃/min-5℃/min的速率升温至1040℃-1120℃保温1h-3h，冷却至室温。
优选的，经焊前热处理后高温段在750℃平均线膨胀系数不超过16×10-6/℃。
优选的，步骤3中热处理的温度在高温段所用析出强化型镍铁基高温合金晶内γ’相析出温度上限以上10℃-150℃范围内，保温时间不超过5h。
优选的，步骤5中热处理的温度在高温段所用析出强化型高温合金晶内γ’相析出温度下限以上30℃-200℃范围内，保温时间不低于10h。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明所述转子选用分段式焊接结构，结合汽轮机内缸内部温度梯度分布特点，在中心最高温区域采用强度性能最佳的析出强化型高温合金，为转子的高温服役性能提供保障。但由于高温合金成本较高，因此在温度较低的两侧采用传统的耐热钢与其链接，获得具有低成本高性能的650℃等级高中压转子。然而，由于转子服役工况严苛，对材料的高温强度性能具有极高要求。因此，需对转子高温段的高温合金在Ni3Al析出温度以上进行时效处理，确保母材及焊接热影响区均具有足够的高温强度性能。然而，这一时效处理工艺难以与铁素体耐热钢的热处理相匹配，Ni3Al高温时效析出的同时往往可能导致铁素体耐热钢中析出相粗化、逆变奥氏体产生等诸多问题。因此，选择一种组织结构对温度变化不敏感的固溶强化型高温合金作为过渡段，两侧分别与高温段析出强化高温合金、低温段铁素体耐热钢焊接，并结合合理的焊前、焊后热处理工艺获得最优的转子使用性能。
进一步的，选择Al、Ti含量较低的固溶强化型高温合金作为焊接转子过渡段材料，确保其在1000℃以下第二相Ni3Al析出体积分数最高不超过12％(优选7％以下)，保障了高温段与过渡段焊后热处理完成时，过渡段内部析出相体积分数较低，合金仍保持较高的塑韧性，为后续过渡段与低温段焊接及焊后热处理提供便利。
本发明的分段式焊接结构结合合理的焊前、焊后热处理工艺获得最优的转子使用性能。为改善转子高温段的可焊性，在高温段与过渡段焊接前应对高温段材料进行焊前热处理，确保处理完成后合金内析出相体积分数在较低的范围，降低焊接过程中因为材料强度过高而出现的开裂倾向。同时，由于晶内析出相在600℃以上析出过程中具有吸收热量以及降低热膨胀系数等效果，可以一定程度降低焊接过程中的残余应力。
进一步的，铁素体耐热钢与过渡段焊接完成后，可根据铁素体耐热钢的特点选择匹配的焊后热处理工艺。为避免热处理过程中逆变奥氏体产生及碳化物粗化等问题，铁素体耐热钢焊后热处理温度一般相对较低，对于高温段及过渡段的组织结构不会造成显著影响。因此，采用该结构的焊接转子焊接完成后的最后焊后热处理即可选用整段热处理，也可选择在低温度与过渡段处进行分段热处理。
附图说明
图1为实施例1结构设计示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明进行描述，这些描述只是进一步解释本发明的特征和优点，并非用于限制本发明的权利要求。
如图1，本发明650℃及以上等级汽轮机用转子的结构设计：转子选用分段式焊接结构，中间服役温度最高区域(高温段)采用析出强化型镍基或镍铁基高温合金，在其两侧(过渡段)与以固溶强化为主的镍基或镍铁基高温合金焊接，在最外侧两端(低温段)均由固溶强化型高温合金与9-12Cr铁素体钢焊接。
转子高温段优选析出强化型镍铁基高温合金(专利号：ZL201911296733.3)，其成分满足Fe：35％-45％，Cr：15％-21％，Mo：0.5％-1.4％，W：0.1％-0.8％，Ti：1.8％-2.5％，Al：0.8％-2.5％，Mn：≤1.0％，Nb：≤0.1％，Co：≤2％，Si：≤0.05％，C：0.03％-0.10％，B：0.001％-0.005％，P：≤0.01％，余量为Ni；所述的Cr+Ni的重量百分比大于50％，W+Mo的重量百分比为0.6％-1.5％。合金中析出相满足L12结构，优选Ni3Al、Ni3(Al,Ti)等为晶内析出相。本发明实施例中，转子高温段成分满足C：0.05％，Cr：16％，Mn：0.1％，Si：0.025％，W：0.3％，Mo：0.6％，Ti：1.8％，Al：1.6％，B：0.002％，Fe：40％，余量为Ni。
转子过渡段采用固溶强化为主的镍铁基高温合金，其Al、Ti、Nb、Ta等合金元素含量总和低于2.5％(质量分数)。转子低温段采用9-12Cr铁素体耐热钢，候选材料应具满足560℃/100MPa十万小时的持久强度性能。
针对高温段的材质为上述析出强化型镍铁基高温合金时，本发明650℃及以上等级汽轮机用转子的制备方法，包括：
焊前处理：高温段所用合金焊前随炉升温至850-950℃保温0.5h-2h，完成后以3℃/min-5℃/min的速率升温至1040℃-1120℃保温1h-3h。当转子高温段外径大于500mm时，合金固溶处理完成后应采用空冷或风冷的方式降温至550℃以下，随后冷却至室温；
焊接：转子高温段与过渡段焊接；
焊后处理：转子高温段与过渡段焊后热处理温度应在高温段所用合金晶内第二相γ’相(Ni3Al相)析出温度上限以上10℃-150℃范围内，保温时间不应超过5h，冷却至室温后进行过渡段与低温段焊接；转子过渡段与低温段焊后热处理温度应在高温段所用合金晶内γ’相析出温度下限以上30℃-200℃范围内，保温时间不应低于10h。焊后热处理完成后，转子高温段合金中强化相体积分数达到12％-20％，650℃屈服强度不低于450MPa，延伸率不低于10％。
实施例1
焊接转子高温段为析出强化型镍铁基高温合金(专利号：ZL201911296733.3)，焊前将其随炉升温至950℃保温0.5h后，以3℃/min的速率升温至1080℃保温1.5h，完成后空冷至室温。随后将其与固溶强化型高温合金(In625)一侧对焊，焊材选择In625。焊后将其随炉升温至980℃保温4h，随后空冷至室温，过渡段内γ’相析出体积分数不超过12％。最后将过渡段In625合金另一侧与铁素体耐热钢(12Cr10NiVMoMnNbN)对焊，焊材选择In625。焊接完成后随炉升温至650℃保温48h，完成后空冷至室温。
实施例2
焊接转子高温段为析出强化型镍铁基高温合金(专利号：ZL201911296733.3)，焊前随炉升温至900℃保温0.5h后，以5℃/min的速率升温至1080℃保温2.0h，完成后空冷至室温。随后将其与固溶强化型高温合金(Haynes 230)一侧对焊，焊材选择Haynes 230。焊后将其随炉升温至1000℃保温2h，随后空冷至室温，过渡段内γ’相析出体积分数不超过7％。最后将过渡段Haynes 230合金另一侧与铁素体耐热钢(10Cr10NiVMoMnNbN)对焊，焊材选择Haynes 230。焊接完成后随炉升温至650℃保温8h，之后随炉升温至750℃保温4h，完成后空冷至室温。
实施例3
焊接转子高温段为析出强化型镍铁基高温合金(专利号：ZL201911296733.3)，焊前将其随炉升温至850℃保温2h后，以4℃/min的速率升温至1040℃保温3h，完成后空冷至室温。随后将其与固溶强化型高温合金(In625)一侧对焊，焊材选择In625。焊后将其随炉升温至980℃保温4h，随后空冷至室温，过渡段内γ’相析出体积分数不超过12％。最后将过渡段In625合金另一侧与铁素体耐热钢(12Cr10NiVMoMnNbN)对焊，焊材选择In625。焊接完成后随炉升温至700℃保温20h，完成后空冷至室温。

Claims (5)

1.一种650℃及以上等级汽轮机用转子的制备方法，其特征在于，所述650℃及以上等级汽轮机用转子，自一端至另一端依次包括焊接连接的低温段、过渡段、高温段、过渡段和低温段；其中，高温段的材质为析出强化型镍铁基高温合金，过渡段的材质为固溶强化型高温合金，低温段的材质为铁素体耐热钢；高温段与过渡段之间的焊材以及过渡段与低温段之间的焊材均与过渡段的材质相同；包括：
步骤1，对高温段进行焊前热处理；
步骤2，将高温段与过渡段焊接连接；
步骤3，高温段与过渡段焊接后进行热处理；
步骤4，将过渡段与低温段焊接连接；
步骤5，过渡段与低温段焊接后进行热处理；
经焊前热处理后高温段在750℃平均线膨胀系数不超过16×10-6/℃；
步骤3中热处理的温度在高温段所用析出强化型镍铁基高温合金晶内γ’相析出温度上限以上10℃-150℃范围内，保温时间不超过5h；
步骤5中热处理的温度在高温段所用析出强化型高温合金晶内γ’相析出温度下限以上30℃-200℃范围内，保温时间不低于10h；
按照质量百分比计，所述析出强化型镍铁基高温合金的成分满足Fe：35%-45%，Cr：15%-21%， Mo：0.5%-1.4%，W：0.1%-0.8%，Ti：1.8%-2.5%，Al：0.8%-2.5%，Mn：≤1.0%，Nb：≤0.1%，Co：≤2%，Si：≤0.05%，C：0.03%-0.10%，B：0.001%-0.005%，P：≤0.01%，余量为Ni；所述的Cr+Ni的重量百分比大于50%，W+Mo的重量百分比为 0.6%-1.5%。
2.根据权利要求1所述的650℃及以上等级汽轮机用转子的制备方法，其特征在于，步骤1中对高温段进行焊前热处理具体是：将高温段升温至850-950℃保温0.5h-2h，保温完成后以3℃/min-5℃/min的速率升温至1040℃-1120℃保温1h-3h，冷却至室温。
3.根据权利要求1所述的650℃及以上等级汽轮机用转子的制备方法，其特征在于，高温段的析出相满足L12结构。
4.根据权利要求1所述的650℃及以上等级汽轮机用转子的制备方法，其特征在于，固溶强化型高温合金为In625或Haynes 230。
5.根据权利要求1所述的650℃及以上等级汽轮机用转子的制备方法，其特征在于，低温段的材质为9%-12%Cr铁素体耐热钢。
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