专利名称：一种汽轮机叶片用钢及其制造方法
技术领域：
本发明涉及中碳型马氏体不锈钢，尤其涉及一种适用于使用温度在560-580 V范围内的汽轮机叶片用高性能中碳型马氏体不锈钢及其制造方法。
背景技术：
叶片是汽轮机最重要部件之一(担负着将热能转变为机械能的作用；它在极复杂工况如高温高压、较大的离心力和气动力、振动、氧化、腐蚀性气氛下，长期工作10万小时以上)。为保证汽轮机的稳定运行，汽轮机叶片用材(叶片钢)的选择至关重要。使用温度在560_580°C范围内的汽轮机叶片是汽轮机重要的组成部分。一台汽轮机通常由几套机组组成，不同部位的机组所承受的蒸汽温度不同，温度范围为450-620°C ； 前级机组承受的温度较高，高达620°C ；末级机组承受的温度较低，接近450°C ；而靠近前级机组的中间机组所处温度范围为560-580°C。叶片钢(包括使用温度在560-580°C范围内的叶片钢)的性能选用指标中，主要有2个直接与其使用寿命直接相关①高温性能(包括高温瞬时拉伸综合性能和高温持久性能)；②韧脆转变温度FATT5tl，可作为材料寿命消耗评估的一项重要内容。该指标的含义是环境温度减低时，材料会发生韧性状态向脆性状态转化，发生冷脆。人们就用标准夏比V 型缺口冲击断裂后，断口面积呈现50%脆性和50%韧性断口所对应的温度来表示。随着社会科学技术的发展，使用温度在560-580°C范围内的高性能叶片钢(高温屈服强度大于450MPa，高温抗拉强度大于500MPa，断面收缩率大于80% ；560°C温度下工作 10万小时后高温持久强度大于150MPa，580°C温度下工作10万小时后高温持久强度大于 IOOMPa ；韧脆转变温度FATT5tl彡24°C )的需求，日益增加。现在，使用温度在560_580°C范围内的叶片钢，最广泛使用的钢种是2Crl2MoV(欧洲牌号X22CrMoV12-l)、2Crl2NiMolWlV(它们的成分、室温力学性能和高温力学性能如表 3、表4所示)。这两种钢的特点是含有较高含量的Mo、V元素，钢的热强性比较好，缺口敏感性小，具有良好的减振性和抗松弛性能。2Crl2MoV、2Crl2NiMolWlV两种叶片钢的缺点是(如表4所示)高温瞬时拉伸综合性能偏低(在560°C温度，高温屈服强度小于420MPa ；高温抗拉强度小于480MPa ；断面收缩率小于80% )；高温持久性能偏低(560°C温度下工作10万小时后高温持久强度小于150MPa ；580°C温度下工作10万小时后高温持久强度小于IOOMPa)， 且，这些钢种在高温和应力长期作用下，形成的碳化物稳定性低，直接影响叶片的使用寿命。韧脆转变温度FATT5tl数值偏高(大于)，在机组和使用运行中容易造成叶片变脆失效，降低安全性。综上所述，现有的使用温度在560-580 °C范围内的叶片钢QCrl2MoV、 2Crl2MM0lWlV)，不能满足叶片钢的发展要求。具有高温瞬时拉伸综合性能高温屈服强度大于450MPa，高温抗拉强度大于500MPa，断面收缩率大于80% ；高温持久性能560°C温度下工作10万小时后强度大于150MPa，580°C温度下工作10万小时后强度大于IOOMPa ；韧脆转变温度FATT5tl ^ 24°C的高性能叶片钢的制备，是一个技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种汽轮机的高性能叶片用材及其制造方法，制备的高性能叶片钢，使用温度在560-580°C范围内，主要性能指标达到(1)高温瞬时拉伸综合性能高温屈服强度大于450MPa，高温抗拉强度大于500MPa，断面收缩率大于80% ； (2)高温持久性能560°C温度下工作10万小时后高温持久强度大于150MPa，580°C温度下工作10万小时后强度大于IOOMPa ； (3)韧脆转变温度FATT5tl ( 24V。满足叶片钢的发展要求。为实现上述目的，本发明的高性能汽轮机叶片用钢的化学成份(质量百分数)是 C 0. 18-0. 24%, Si 0. 60-1. 00%,Mn :0. 10-0. 20%,Mo :0. 80-1. 20%, Cr :11. 00-12. 50%, Ni 0. 70-0. 80 %, V 0. 25-0. 35 %, Nb :0. 005-0. 020 %, N :0. 02-0. 05 %, S ^ 0. 03 %, P < 0. 02 %，其余为!^e及不可避免的杂质。其特点是进行控氮N和微量Nb合金化，使得钢有足够的组织热稳定性和热强性，且在高温高压下具有较好的耐磨性和较高的FATT5tl指标。上述合金元素的作用如下碳(C)碳是钢中最重要的合金元素，主要是形成碳化物或与氮一起形成碳氮化物，提高高温强度的重要元素，对长时间服役的强度有贡献。同时，碳还强烈影响钢的硬度、 冲击韧性和耐磨性。此外，碳还是强烈奥氏体形成元素，有利于降低钢中δ铁素体的形成。 本发明中碳控制在0. 18-0. 范围内。铬(Cr):铬在叶片钢中的主要作用是抗氧化和耐腐蚀，还与碳一起形成M6C和 M23C6型碳化物，提高钢的硬度和强度，从而改善耐磨损性能。Cr能增加钢的淬硬性和淬透能力，提高碳化物在奥氏体中的溶解度，阻止高温时碳化物的聚集。但过高的Cr含量会有损钢的高温强度。在本发明中铬含量控制为11.00-12.50%。钼(Mo)钼的主要作用是提高钢在氧化条件下钢的耐腐蚀性能，防止回火脆性， 提高钢的高温强度，但钼含量高的钢在加热到800-850°C时极易脱碳，且热加工性能不佳， 易促进钢中d铁素体形成。本发明中钼的含量控制为0. 80-1. 20%。钒(V)钒是强碳化物形成元素，产生二次硬化反应，提高各回火阶段的强度。V含量过高造成基体中V含量增加，同时析出物变得粗大、呈块状，降低长时蠕变性能，影响强化效果。还会强烈促成d铁素体形成。本发明中钒的含量控制为0.25-0. 35%。镍(Ni)镍主要用来提高钢的延性，但过高会降低碳在基体中的固溶度，增加 Cr7C3和M2X量，轻微增加二次硬化强度，故Ni含量控制在0. 70-0. 80%范围。铌(Nb)铌是强碳化物形成元素，主要形成MC型碳化物，可用来部分替代VJfV 含量降至仅保持二次硬化的水平。铌碳化物的形成会提高钢的耐磨损性能而不降低钢的冲击韧性。Nb会降低铬碳化物的形成使得基体中会有较多的铬而提高钢的耐腐蚀性能。不过，Nb过高会使得钢的热加工温度提高，从而提高了钢的可加工性能的门槛，因此Nb含量控制在0. 005-0. 020%，保证热加工加热温度低于1200°C。氮(N)加入氮，主要是扩大奥氏体区，细化晶粒，提高材料的抗氧化性。同时，可以与碳一起形成复合碳化物，改善钢的综合性能。此外加入氮还可减少钢中S铁素体形成。但钢中氮含量过高会使得冶炼浇注和电渣重熔过程中钢锭易形成氮气孔洞。因此N含量控制在0. 02-0. 05%范围。锰(Mn)作为脱氧剂而加入，含量控制在0. 10-0. 20%。控制钢中Mn/S彡20，有利于提高钢的锻、轧的热塑性，明显减少坯材裂纹及提高成材率。硅(Si)作为强脱氧元素而加入，含量一般控制在0. 60-1. 00%。硅促进粗大的一次碳化物MC的形成，且硅含量高时，Mo的平衡固溶度降低，是d铁素体形成元素。磷(P)磷在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界， 使钢的脆性显著增大。控制磷含量在0. 02%以下，并且含量越低越好。硫(S)会形成i^eS，给钢带来热脆性。控制硫含量在0. 03%以下，并且含量越低越好。本发明还提供一种高性能汽轮机叶片用钢的制造方法。制造使用温度在 560-580°C范围内的上述高性能叶片钢，该钢具有以下性能1、高温瞬时拉伸综合性能高温屈服强度大于450MPa，高温抗拉强度大于500MPa，断面收缩率大于80% ；2、高温持久性能560°C温度下10万小时的高温持久强度大于150MPa，580°C温度下10万小时的高温持久强度大于IOOMPa ；3、韧脆转变温度FATT5tl ( 24V ；4、其他性能指标如耐蚀性能达到相应的国家标准。上述高性能叶片钢的工艺步骤是原材料准备一EF (电弧炉冶炼)+AOD+(LFV)冶炼，浇注Φ422-490πιπι电极一热装退火一剥皮(车)一电渣重熔成Φ500-700mm电极一热装退火或热送一4000T/2000T锻造开坯一1300T径锻成(100 200)mmX (50 250)mm轧坯 —热装退火一轧制一退火一取样一性能检测一探伤一成品砂剥一尺寸、外观检查一入库。本发明的汽轮机叶片用钢的制造方法，主要包括EF+A0D+LFV 冶炼；浇注成电极钢锭，其中浇注过热度为40-70°C ；电极钢锭进行热装退火，退火温度为680_750°C，加热保温时间为15_20小时；电极钢锭熔炼进行电渣重熔，其中渣量配比为CaF2 Al2O3 MgO = (60 65) (35 30) 5 ；电渣重熔后进行790-850°C，保温16-20小时的热装退火；锻造，开锻温度为1020-1200°C，终锻温度为800-950°C，锻后进行760-780°C，保温18-20小时的热装退火；轧制，粗轧开轧温度为1100_1150°C，粗轧终轧温度为950_960°C，精轧入口温度为960-980°C，精轧终轧温度为900-940°C，轧后进行(820 840) V X (18 20)小时的退火。根据本发明的优选实施方式，EF+AOD+(LFV)冶炼中，EF炉冶炼，按常规的不锈钢返回吹氧法熔炼钢液，所用含Cr合金是低P的Cr不锈钢返回料以降低生产成本，并采用 1-2次造渣，以去除钢水中夹杂，出钢时成分到位。AOD全程吹氩，加强还原脱氧。冶炼中注意成分均勻性的控制及残余元素的控制。采用LFV炉对高温钢液进行成分微调和脱气处理，真空前适当插Al，全程底吹氩搅拌，去除钢液中的有害夹杂物。真空度< 140 进行脱气处理，真空脱气时间15-20分钟，使钢液中的氧含量彡25ppm，氢含量彡2ppm，主要是氧和氢为钢液中的有害气体，且后续的电渣重熔并没有脱气功能，氧含量过高，会导致钢材夹杂物总量的增加，降低叶片钢的疲劳寿命，氢含量过高，会引起氢致裂纹，导致报废。根据本发明的优选实施方式，冶炼的钢水模铸浇注成电渣重熔的电极钢锭，电极钢锭直径为Φ422-490πιπι。浇注过程中采用氩气保护，以免钢水二次氧化。浇铸过热度控制在40-70°C范围，以减少钢锭偏析。钢锭脱模温度控制在600-700°C，并热装退火。根据本发明的优选实施方式，模铸的电极钢锭进行如下热装退火钢锭脱模后， 进行热装退火以消除组织应力，避免裂纹产生。退火炉起始温度600-650°C，表面温度 550-700°C，此时心部温度约在800-900°C之间，存在热应力，以30_80°C /小时的加热速度缓慢升温至680-750°C。加热保温时间15-20小时，消除钢锭表面和心部内外温度差和马氏体转变组织应力，随后以10-50°C /小时的降温速度炉冷至350-450°C出炉，减少热应力。根据本发明的优选实施方式，将模铸的电极钢锭熔炼进行电渣重熔，以得到成分均勻的电渣锭，减缓较严重的叶片钢钢锭成分偏析现象，并提高钢锭的纯净度，从而改善产品的高温性能和疲劳性能。更优选地，先将电极钢锭表面进行剥皮。采用结晶器直径D与电极 d 满足 d= (0. 4-0. 85) D ；渔量配比是 CaF2 Al2O3 MgO= (60 65) (35 30) 5 ； 渣量w与电渣钢锭重量W满足W= (4 5%)W。采用金属电极直接起弧造渣，来弧后迅速加渣，确保电流稳定，渣料加完5-15分钟后提高电流，控制不超过6000A。当渣料熔化完， 电流升到规定值后，转入正常电渣重熔冶炼。用电制度电压58-64V，电流13000-14000A。 冶炼后期充填，充填方法逐渐降电流，每次降电流500-1000A，采用间断给电流充填。所得电渣钢锭直径为Φ500-700πιπι。对电渣钢锭缓冷，缓冷时间控制在20-60分钟。电渣冶炼完成后脱模，锭子马上进退火炉进行热装退火。根据本发明优选实施方式，将杂质含量低、成分分布比较均勻的电渣钢锭采用热装不完全退火工艺，以消除组织应力，避免裂纹产生和溶解凝固时析出的粗大碳化物，细化组织。优选电渣钢锭脱模温度为650-750°C。此时心部温度800°C左右，显微组织是过冷奥氏体加一次碳化物。退火炉温度开始控制在550-650°C，保温时间4. 5-5. 5小时，消除内外温差，再以40-60°C /小时的速度升温加热到790-850°C，保温16-20小时进行退火，获得奥氏体加碳化物的均衡组织，并消融或减少一次碳化物尺寸。再以30-60°C /小时的冷却速度冷却至160-200°C后空冷。根据本发明的优选实施方式，热锻造工艺(直接影响锻后材料的碳化物分布和大小)是，电渣锭进炉后在350-400°C的温度保温4. 5-5. 5小时，确保内外温度的均勻化，再以40-60°C /小时的速度缓慢加热至830-880°C后，保温4. 5-5. 5小时，均勻电渣锭内外温差减少热应力，形成奥氏体+碳化物组织，并为高温段缩短保温时间减少电渣锭表面脱碳创造条件，然后以100-120°C /小时的加热速度，快速升温至1150-1200°C保温2. 5-3. 5小时，完成均温和碳化物的完全溶解，出炉热加工锻造。先用40MN/20MN快锻机开坯，将电渣钢锭锻造成Φ250-350πιπι的八角钢锭，始锻温度控制在1020-1200°C范围，终锻温度控制在 800-950°C范围。先镦粗拔长二次(每次镦粗至原高度的1/2)。锻造回炉保温时间镦粗回炉时保温2-4h ；当钢锭直径彡300mm时保温1- ；当钢锭直径< 300mm时保温1-1.证。然后再用13MN径锻机进行精锻，锻出(150 200)mmX (150 200)mm的轧坯。始锻温度控制在1020-1200°C范围，终锻温度控制在800-950°C范围。锻造完毕后轧坯再进行热装退火。 退火炉在550-650°C的温度范围内保温待料，待锻后轧坯进炉完毕后，以50-80°C /小时的速度升温至760-780°C保温18-20小时实现锻后组织的均勻化，随后，以冷却速度40_60°C / 小时炉冷至240-30(TC保温2-4小时，促使奥氏体转变为铁素体和二次碳化物，细化组织， 最后空冷至室温。
根据本发明的优选实施方式，轧制工艺中，采用连续步进炉加热工艺对(150 200)mmX (150 200)mm轧坯进行加热，加热温度设置在1100-1170°C范围，而均热温度设置在1140-1160°C范围，阴阳面温差彡30°C，加热保温时间3_4小时。轧制1_2次完成，粗轧开轧温度为1060-1080°C，粗轧终轧温度为950-960°C，精轧温度设定在1100-1150°C范围，精轧入口温度为960-980°C，终轧温度为900-940°C，轧出Φ80-100πιπι圆棒。轧后进移罩炉预退火，退火工艺为(820-840) V X (18 20)小时，然后以10_30°C /h的冷却速度冷却到580-620°C后，出炉空冷。为了考虑氢元素的影响，还根据需要进行扩散去氢工艺将轧制钢棒加热至740-780°C，保温3-6小时后在退火炉中冷却至660_690°C并保温12-20小时，出炉空冷。根据本发明的优选实施方式，对成品钢棒进行表面磨光或车光处理，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。根据本发明的优选实施方式，在成品钢棒上取样进行热处理，热处理工艺如下先进行淬火工艺，淬火加热温度为1020-1070°C，保温1_2小时，进行油冷；再进行回火处理，回火温度为650-680°C，保温时间为1-2小时，空冷。本发明采用上述材料及相应工艺方法制备的汽轮机叶片钢，纯净度比较高且组织均勻，成分中所加合金元素则是稍稍提高，因此生产成本的提高幅度比较小。材料的热加工加热温度在1220°C以下，因此对热加工设备的要求不高。最终所得材料具有的较高的高温持久性能和瞬时拉伸性能、较好的韧脆转变温度指标。
具体实施例方式以下通过具体实施例对本发明进行说明本发明实施例包括如下步骤1)常规冶炼取所需元素按EF+AOD+(LFV)工艺路线，在熔炼过程中调节各元素的含量，使其质量百分数如表1所示表1本发明实施例叶片钢的合金成分(质量百分数)
权利要求
1.一种汽轮机叶片用钢，其化学成分的质量百分比为C 0. 18-0. 24%, Si 0. 60-1. 00%,Mn :0. 10-0. 20%,Mo :0. 80-1. 20%, Cr :11. 00-12. 50%, Ni :0. 70-0. 80%, V 0. 25-0. 35%, Nb :0. 005-0. 020%, N :0. 02-0. 05%, S 彡 0. 03%, P ( 0. 02%，其余为 Fe 及不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的汽轮机叶片用钢的制造方法，包括 EF+A0D+LFV 冶炼；浇注成电极钢锭，其中浇注过热度为40-70°C ；电极钢锭进行热装退火，退火温度为680-750°C，加热保温时间为15-20小时； 电极钢锭熔炼进行电渣重熔，其中渣量配比为CaF2 Al2O3 MgO = (60 65) (35 30) 5 ；电渣重熔后进行790-850°C，保温16-20小时的热装退火；锻造，开锻温度为1020-1200 V，终锻温度为800-950 °C，锻后进行760-780 V，保温 18-20小时的热装退火；轧制，粗轧开轧温度为1100-1150°C，粗轧终轧温度为950-960°C，精轧入口温度为 960-980°C，精轧终轧温度为900-940°C，轧后进行(820 840) °C X (18 20)小时的退火。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，浇注的电极钢锭进行的热装退火中，退火炉起始温度为600-650°C，以30-80°C /小时的加热速度缓慢升温至680_750°C，加热保温时间为15-20小时；再以10-50°C /小时的降温速度炉冷至350-450°C出炉。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，浇注为模铸，模铸后的钢锭脱模温度控制在 600-700°C。
5.如权利要求2-4任一所述的方法，其特征在于，冶炼中，AOD全程吹氩；LFV炉对高温钢液进行成分微调和脱气处理，在真空度< 140 进行15-20分钟的真空脱气处理，使钢液中的氧含量彡25ppm，氢含量彡2ppm。
6.如权利要求4-5任一所述的方法，其特征在于，模铸后电极钢锭直径为 Φ422-490ι πι。
7.如权利要求2-6任一所述的方法，其特征在于，电渣重熔中，结晶器直径D与电极直径d的关系为d= (0.4-0. 8 D ；渣量w与电渣钢锭重量W满足w = G 5%)W。
8.如权利要求2-7任一所述的方法，其特征在于，电渣重熔中，电压为58-64V，电流为 13000-14000A。
9.如权利要求2-8任一所述的方法，其特征在于，电渣重熔后钢锭的直径为 Φ500-700ι πι。
10.如权利要求2-9任一所述的方法，其特征在于，电渣重熔后钢锭的脱模温度为 650-750 O。
11.如权利要求2-10任一所述的方法，其特征在于，电渣重熔后热装退火中，退火炉开始温度为550-650°C，保温时间为4. 5-5. 5小时，再以40_60°C /小时的速度升温加热到 790-850°C，保温16-20小时进行退火，再以30_60°C /小时的冷却速度冷却至160-200°C后空冷。
12.如权利要求2-11任一所述的方法，其特征在于，锻造后热装退火中，加热至 760-780°C，保温18-20小时，再以40_60°C /小时的冷却速度炉冷至240-300°C，保温2_4小时，最后空冷至室温。
13.如权利要求2-12任一所述的方法，其特征在于，轧后退火工艺为(820 840) V X (18 20)小时，然后以10 30°C /小时的冷却速度冷却到580-600°C后，出炉空冷。
14.如权利要求2-13任一所述的方法，其特征在于，轧制钢棒还进行扩散去氢工艺，力口热至740-780°C，保温3-6小时后在退火炉中冷却至660_690°C，保温12-20小时，出炉空冷。
15.如权利要求2-14任一所述的方法，其特征在于，还包括淬火工艺，淬火加热温度为 1020-1070°C，保温1-2小时，进行油冷，再进行回火处理，回火温度为650_680°C，保温1_2 小时，空冷。
全文摘要
本发明涉及一种汽轮机叶片用钢，其化学成分的质量百分比为C0.18-0.24％，Si0.60-1.00％，Mn0.10-0.20％，Mo0.80-1.20％，Cr11.00-12.50％，Ni0.70-0.80％，V0.25-0.35％，Nb0.005-0.020％，N0.02-0.05％，S≤0.03％，P≤0.02％，其余为Fe及不可避免的杂质。该钢的制造方法包括EF+AOD+LFV冶炼；浇注成电极钢锭，其中浇注过热度为40-70℃，钢锭脱模温度控制在600-700℃；电极钢锭进行热装退火；电极钢锭熔炼进行电渣重熔；锻造，锻后热装退火；轧制，轧后退火。这样得到的高性能中碳型马氏体不锈钢，适合用于使用温度在560-580℃范围内的汽轮机叶片。
文档编号C22C33/02GK102477518SQ20101055855
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月24日 优先权日2010年11月24日
发明者吴江枫, 周灿栋, 张甫飞, 陆青林, 陈新建 申请人:宝山钢铁股份有限公司