一种燃汽轮机大涡轮盘用高温合金材料及其制备方法与流程

1.本发明属于合金冶炼技术领域，具体涉及一种燃汽轮机大涡轮盘用高温合金材料及其制备方法。


背景技术：

2.燃气轮机具有热效率高、污染少、耗水少、易安装等优点，在燃气轮机燃烧室、过度导管、导向叶片、涡轮工作叶片以及涡轮轮盘等部件上都有着广泛的应用，燃气轮机大涡轮盘高温合金用材，承受高温高载荷作用，还承受热腐蚀、扭转力的循环作用，所以燃汽轮机大涡轮盘高用材不仅要求高的强度指标，还要较好的高温蠕变性能，尤其对材料横向性能、纵横向力学性能都需满足要求。
3.目前燃气轮机大涡轮盘用高温合金的夹杂物相对较高，头尾ti成分差异性较大，晶粒度级差较大，材料所需横向、纵向性能不稳定，头尾差异较大，无法满足在其所要求的工作环境下服役，因此燃汽轮机大涡轮盘用高温合金材料的研制具有非常重要的意义。
4.因此，如何解决目前燃汽轮机大涡轮盘用大棒材制备的夹杂物等级相对较高，头尾ti成分差异性较大，截面晶粒度级差较大，材料所需横向、纵向性能差异较大及其不稳定，不能满足燃汽轮机大涡轮盘用材的性能要求的问题，成为亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明就是为了解决上述技术问题，从而提供一种一种燃汽轮机大涡轮盘用高温合金材料及其制备方法。本发明的技术目的在于，提供一种燃汽轮机大涡轮盘用大棒材的制备方法，解决现有制备工艺制备所得合金材料的夹杂物等级相对较高，头尾ti成分差异性较大，截面晶粒度级差较大，材料所需横向、纵向性能差异较大及其不稳定，不能满足燃汽轮机大涡轮盘用材的性能要求的问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
7.本发明首先提供了一种燃汽轮机大涡轮盘用高温合金材料的制备方法，其特征在于，所述高温合金材料按重量百分比计，包括以下元素组成：
8.c：≤0.08％、s：≤0.015％、cr：14.0％～16.0％、ni：24.0％～26.0％、mo：1.1％～1.6％、al：≤0.30％、ti：1.9％～2.45％、v：0.2％～0.4、mn：1.2％～1.7％；b：0.004％～0.010％、ce：0.003％～0.010％、zr：0.003％～0.010％、余量为fe以及不可避免的杂质；
9.所述高温合金材料的制备方法包括以下步骤：
10.步骤a、按上述元素成分配比配制合金，熔炼均匀化，熔炼温度为1470～1510℃，在熔炼过程中加入渣料，加入渣料的质量比为cao：caf2＝1.5:1，加入渣料过程中防止钢液裸露吸气，制成钢水；
11.步骤b、将步骤a的钢水升温至1520～1550℃进行精炼，加入al粉和si-ca粉脱氧，调节合金元素含量，使其均匀化，减少成分偏析；渣白后加ti，当t＝1550
±
20℃时全样分析，在分析过程加强扩散脱氧和钢液温度控制，出钢前10分钟、根据炉中成分喂al线调al至
0.20wt％，调整成分，制成优质钢水；
12.步骤c、将步骤b的优质钢水转移至lf炉，升温至1520～1550℃继续精炼，微调ti含量，加cao脱硫，减少夹杂，精炼25min后调温至1650～1680℃，转至vd炉，进行抽空，总抽空时间≥20min，期间维持高真空，静吹氩气≥15min，制得优质钢水；
13.步骤d、将步骤c的优质钢水，浇注法浇注成电极棒；
14.步骤e、将步骤d的电极棒作为电极，磨光后放置于6t保护气氛电渣炉中进行二次重熔净化，形成电渣锭；
15.步骤f、将步骤e制成的电渣锭，加热至1180～1200℃，保温72h进行均匀化处理；
16.步骤g、将步骤f的钢锭加热至1120℃，保温6h，用压机经过三镦三拔，进行降温、烤火、包套、控制变形量锻造成材，并空冷，制得所需材料。
17.进一步的是，步骤a中，熔炼钢水在20t非真空感应炉内进行，渣料量为150-200kg。
18.进一步的是，步骤b中，加入al粉和si-ca粉脱氧2-3批，每批用量为5-8kg，持续脱氧造渣。
19.进一步的是，步骤c中，高真空压力为≤133pa，维持高真空压力的时间为10min以上。
20.进一步的是，步骤e中的渣系为66#号，并加入2.0～6.5kgtio2和200～400gal粉。
21.进一步的是，步骤f中，均匀化处理在高温炉进行，先于980℃保温36h后升温至1190℃保温48h。
22.进一步的是，步骤g中，锻造成材时末三火次分别按1080℃、1050℃、990℃进行成型锻造，变形量分别控制为40％～45％、36％～40％、摔圆≤7％。
23.进一步的是，所述杂质为：以重量百分比％计，s≤0.015％。
24.进一步的是，制备过程中s含量控制在≤12ppm。
25.本发明还提供了由如上所述方法制备得到的燃汽轮机大涡轮盘用高温合金材料。
26.本发明的有益效果如下：
27.本发明提供的该种燃汽轮机大涡轮盘用高温合金材料的制备方法，制备所得高温合金材料的组织、成分均匀，冶炼经20t非真空感应炉、lf炉+vd，提高钢水的纯净度，出钢前加入1.8kgce、1.1kgzr和7.5kgb-fe等微量元素，使燃汽轮机大涡轮盘材料在低温、室温和高温情况下塑性和屈服强度增强，保护气氛电渣渣系选用66#号，另外在其渣系加入2.0～6.5kgtio2和200～400gal粉，以减少ti的烧损，保证钢锭整支的成分均匀性，采用6000t压机进行锻造且通过三镦三拔、降温锻造、末三火次分别按1080℃、1050℃、995℃进行成型锻造，变形量控制40％～45％、36％～40％、摔圆≤7％，进行包套、烤火进行锻造，锻造后缓慢的冷却至室温，制得所需材料，获得a类和c类夹杂等级为0、b类总0.5级、d类总和1.0级；大棒材头、尾al、ti成分均匀且ti成分差别不超过0.05％；横截面、纵向面晶粒度级差均不超过1.5级，平均晶粒度达到6.0～7.5级；横向、纵向力学性能及高温蠕变性能差异较小。通过本发明生产所述高温合金材料，其解决了高ti低al高温合金电渣后头尾al、ti成分差异性，解决夹杂物等级问题，解决了横向、纵向力学性能差异性，截面组织均匀，有良好的经济效益和社会效益，适合推广使用。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要指出的是，以下实施例仅用于对本发明进行解释和说明，并不用于限定本发明。本领域技术人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
29.本发明提供的燃汽轮机大涡轮盘用高温合金材料的元素组成如下表1：
30.表1
[0031][0032]
实施例1
[0033]
取含有样品一的元素组成的原料，按照如下方法制备合金材料：
[0034]
步骤a、按上述元素成分配比配制合金，通过20t非真空感应炉熔炼均匀化，熔炼温度为1470℃，在熔炼过程中化料过程中及时加渣料，渣量控制在150kg、渣料比(质量比)cao：caf＝1.5:1、过程防止钢液裸露吸气，随时调整合金配比，使其重量比符合设计要求，制成钢水；
[0035]
步骤b、将步骤a的钢水升温至1520℃进行精炼，及时加入al粉和si-ca粉脱氧2批，每批用量5kg，继续脱氧，调节合金元素含量，使其均匀化，减少成分偏析；渣白后加ti，当t＝1550
±
20℃时全样分析，在分析过程加强扩散脱氧和钢液温度控制，出钢前10分钟、根据炉中成分喂al线调al至0.20％，调整成分，制成优质钢水；
[0036]
步骤c、将步骤b的优质钢水转移至lf炉，升温至1520℃继续精炼，微调ti含量，加cao脱硫，减少夹杂，精炼25min后调温至1650℃，转至vd炉，进行抽空，总抽空时间20min，高真空(133pa)保持10min，静吹氩气15min，制得成分均匀，夹杂少、含硫量低的优质钢水；
[0037]
步骤d、将步骤c的优质钢水，按下浇注法浇注成电极棒；
[0038]
步骤e、将步骤d的电极棒作为电极，磨光后放置于6t保护气氛电渣炉中进行二次重熔净化，其中渣系应用66#号，另外在其渣系加入2.0kgtio2和200gal粉，形成电渣锭；
[0039]
步骤f、将步骤e制成的电渣锭，加热至1180℃，保温72h进行均匀化处理；
[0040]
步骤g、将步骤f的钢锭加热至1120℃，保温6h，用压机经过三镦三拔，进行降温、烤
火、包套、控制变形量等措施锻造成材，并空冷，制得所需材料。
[0041]
实施例2
[0042]
取含有样品二的元素组成的原料，按照如下方法制备合金材料：
[0043]
步骤a、按上述元素成分配比配制合金，通过20t非真空感应炉熔炼均匀化，熔炼温度为1510℃，在熔炼过程中化料过程中及时加渣料，渣量控制在200kg、渣料比(质量比)cao：caf＝1.5:1、过程防止钢液裸露吸气，随时调整合金配比，使其重量比符合设计要求，制成钢水；
[0044]
步骤b、将步骤a的钢水升温至2150℃进行精炼，及时加入al粉和si-ca粉脱氧3批，每批用量8kg，继续脱氧，调节合金元素含量，使其均匀化，减少成分偏析；渣白后加ti，当t＝1550
±
20℃时全样分析，在分析过程加强扩散脱氧和钢液温度控制，出钢前10分钟、根据炉中成分喂al线调al至0.20％，调整成分，制成优质钢水；
[0045]
步骤c、将步骤b的优质钢水转移至lf炉，升温至1550℃继续精炼，微调ti含量，加cao脱硫，减少夹杂，精炼25min后调温至1680℃，转至vd炉，进行抽空，总抽空时间22min，高真空(130pa)保持12min，静吹氩气18min，制得成分均匀，夹杂少、含硫量低的优质钢水；
[0046]
步骤d、将步骤c的优质钢水，按下浇注法浇注成电极棒；
[0047]
步骤e、将步骤d的电极棒作为电极，磨光后放置于6t保护气氛电渣炉中进行二次重熔净化，其中渣系应用66#号，另外在其渣系加入6.5kgtio2和400gal粉，形成电渣锭；
[0048]
步骤f、将步骤e制成的电渣锭，加热至1200℃，保温72h进行均匀化处理；
[0049]
步骤g、将步骤f的钢锭加热至1120℃，保温6h，用压机经过三镦三拔，进行降温、烤火、包套、控制变形量等措施锻造成材，并空冷，制得所需材料。
[0050]
实施例3
[0051]
取含有样品三的元素组成的原料，按照如下方法制备合金材料：
[0052]
步骤a、按上述元素成分配比配制合金，通过20t非真空感应炉熔炼均匀化，熔炼温度为1500℃，在熔炼过程中化料过程中及时加渣料，渣量控制在180kg、渣料比(质量比)cao：caf＝1.5:1、过程防止钢液裸露吸气，随时调整合金配比，使其重量比符合设计要求，制成钢水；
[0053]
步骤b、将步骤a的钢水升温至1530℃进行精炼，及时加入al粉和si-ca粉脱氧2批，每批用量6kg，继续脱氧，调节合金元素含量，使其均匀化，减少成分偏析；渣白后加ti，当t＝1550
±
20℃时全样分析，在分析过程加强扩散脱氧和钢液温度控制，出钢前10分钟、根据炉中成分喂al线调al至0.20％，调整成分，制成优质钢水；
[0054]
步骤c、将步骤b的优质钢水转移至lf炉，升温至1540℃继续精炼，微调ti含量，加cao脱硫，减少夹杂，精炼25min后调温至1660℃，转至vd炉，进行抽空，总抽空时间28min，高真空(125pa)保持18min，静吹氩气20min，制得成分均匀，夹杂少、含硫量低的优质钢水；
[0055]
步骤d、将步骤c的优质钢水，按下浇注法浇注成电极棒；
[0056]
步骤e、将步骤d的电极棒作为电极，磨光后放置于6t保护气氛电渣炉中进行二次重熔净化，其中渣系应用66#号，另外在其渣系加入4.5kgtio2和300gal粉，形成电渣锭；
[0057]
步骤f、将步骤e制成的电渣锭，加热至1190℃，保温72h进行均匀化处理；
[0058]
步骤g、将步骤f的钢锭加热至1120℃，保温6h，用压机经过三镦三拔，进行降温、烤火、包套、控制变形量等措施锻造成材，并空冷，制得所需材料。
[0059]
按照本发明实施例1-3的制备方法制备的燃汽轮机大涡轮盘用高温合金材料，获得a类和c类夹杂等级为0、b类总0.5级、d类总和1.0级；大棒材头、尾al、ti成分均匀且ti成分差别不超过0.05％；横截面、纵向面晶粒度级差均不超过1.5级，平均晶粒度达到6.0～7.5级；横向、纵向力学性能及高温蠕变性能差异较小。通过本发明生产所述高温合金材料，其解决了高ti低al高温合金电渣后头尾al、ti成分差异性，解决夹杂物等级问题，解决了横向、纵向力学性能差异性，截面组织均匀。

技术特征：
1.一种燃汽轮机大涡轮盘用高温合金材料的制备方法，其特征在于，所述高温合金材料按重量百分比计，包括以下元素组成：c：≤0.08％、cr：14.0％～16.0％、ni：24.0％～26.0％、mo：1.1％～1.6％、al：≤0.30％、ti：1.9％～2.45％、v：0.2％～0.4、mn：1.2％～1.7％；b：0.004％～0.010％、ce：0.003％～0.010％、zr：0.003％～0.010％、余量为fe以及不可避免的杂质；所述高温合金材料的制备方法包括以下步骤：步骤a、按上述元素成分配比配制合金，熔炼均匀化，熔炼温度为1470～1510℃，在熔炼过程中加入渣料，加入渣料的质量比为cao：caf2＝1.5:1，加入渣料过程中防止钢液裸露吸气，制成钢水；步骤b、将步骤a的钢水升温至1520～1550℃进行精炼，加入al粉和si-ca粉脱氧，调节合金元素含量，使其均匀化，减少成分偏析；渣白后加ti，当t＝1550
±
20℃时全样分析，在分析过程加强扩散脱氧和钢液温度控制，出钢前10分钟、根据炉中成分喂al线调al至0.20wt％，调整成分，制成优质钢水；步骤c、将步骤b的优质钢水转移至lf炉，升温至1520～1550℃继续精炼，微调ti含量，加cao脱硫，减少夹杂，精炼25min后调温至1650～1680℃，转至vd炉，进行抽空，总抽空时间≥20min，期间维持高真空，静吹氩气≥15min，制得优质钢水；步骤d、将步骤c的优质钢水，浇注法浇注成电极棒；步骤e、将步骤d的电极棒作为电极，磨光后放置于6t保护气氛电渣炉中进行二次重熔净化，形成电渣锭；步骤f、将步骤e制成的电渣锭，加热至1180～1200℃，保温72h进行均匀化处理；步骤g、将步骤f的钢锭加热至1120℃，保温6h，用压机经过三镦三拔，进行降温、烤火、包套、控制变形量锻造成材，并空冷，制得所需材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a中，熔炼钢水在20t非真空感应炉内进行，渣料量为150-200kg。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b中，加入al粉和si-ca粉脱氧2-3批，每批用量为5-8kg，持续脱氧造渣。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤c中，高真空压力为≤133pa，维持高真空压力的时间为10min以上。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤e中的渣系为66#号，并加入2.0～6.5kgtio2和200～400gal粉。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤f中，均匀化处理在高温炉进行，先于980℃保温36h后升温至1190℃保温48h。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤g中，锻造成材时末三火次分别按1080℃、1050℃、990℃进行成型锻造，变形量分别控制为40％～45％、36％～40％、摔圆≤7％。8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述杂质为，以重量百分比％计，s≤0.015％。9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，制备过程中s含量控制在≤12ppm。10.如权利要求1-9任一项所述方法制备得到的燃汽轮机大涡轮盘用高温合金材料。

技术总结
本发明提供了一种燃汽轮机大涡轮盘用高温合金材料及其制备方法，属于合金的制备技术领域。本发明的高温合金材料按重量百分比计，包括以下元素组成：C：≤0.08％、S：≤0.015％、Cr：14.0％～16.0％、Ni：24.0％～26.0％、Mo：1.1％～1.6％、Al：≤0.30％、Ti：1.9％～2.4％、V：0.2％～0.4、Mn：1.2％～1.7％；B：0.004％～0.010％、Ce：0.003％～0.010％、Zr：0.003％～0.010％、余量为Fe。本发明还提供了上述高温合金材料的制备方法，本发明能够制得组织均匀的大棒材，该大棒材头、尾的Al、Ti成分均匀，横截面、纵向面晶粒度级差均不超过1.5级，平均晶粒度达到6.0～7.5级，横向、纵向力学性能及高温蠕变性能差异较小。性能及高温蠕变性能差异较小。


技术研发人员：吴致全 韦家向 周江波 粟硕
受保护的技术使用者：四川六合特种金属材料股份有限公司
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/9