本发明涉及汽轮机专用环形件制造技术领域，具体涉及一种民用核设备中合金环锻件及其制造方法。
背景技术：
现有技术民用核设备中的耐高压锻件其成分主要为c：0.18-0.24％、si：0.10-0.50％、mn：0.30-0.80％、p：≤0.025％、s：≤0.020％、cr：11.00-12.5％、mo：0.80-1.20％、ni：0.30-0.80％、v：0.25-0.35％，w≤0.60％，现有成分无法满足产品在三个方向上的机械性能，此外现有的民用核设备用耐高压锻件，该类钢种材料高压硬度高，可锻性差。锻造温度范围小1150-950℃，锻造容易开裂。而2cr11movnbn锻件主要应用于汽轮机，其要求高，合金元素高，容易在锻造和热处理过程中开裂，高压持久难达到要求。
此外随着社会对奥化体不锈钢的需求量与日俱增，人们对含ni奥化体不锈钢更是偏爱；但是地球可供制造奥化体不锈钢的镍资源有限，同时镍资源属于战略物质，所以当前世界各国都在研制开发节镍奥化体不锈钢，以满足社会发展的需要。
技术实现要素：
本发明的目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种耐高压性能好，可显著提高环件力学性能，加工制造成本较低，加工工艺简单的民用核设备中合金环锻件及其制造方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种民用核设备中合金环锻件，所述合金环锻件，按质量百分数计，其化学成份包括：碳≤0.04％，氮0.01～0.03％，锰0.6～0.9％，铬10～15％，镍0.2～0.8％，硅0.2～0.6％，铜0.1～0.2％，铝0.4～0.6％，钽0.8～2.3％，铌1.1～1.4％，铪1.5～3.2％，钴0.1～0.3％，钨1～3％，钼0.7～1％，钛0.01～0.04％，锡≤0.04％，碲0.3～0.6％，镥0.002～0.003％，钪0.001～0.002％，余量为铁和不可去除的杂质。
优选的技术方案是，所述锻件尺寸为φ1317mm×φ647mm×123mm。
本发明将合金钢中的碳含量设置在0.04％以下，以防止出现晶间腐蚀；同时添加的氮能够与碳协同以弥补因碳含量降低而引起的不锈钢强度不足问题，氮也是奥氏体形成元素，对奥氏体组织的稳定性起到重要作用；氮的加入还能改善合金钢的耐腐蚀性能。
本发明将合金钢中的铬含量设置为略高于15％，在提高合金钢的强度、硬度和耐磨性的同时，避免高铬含量影响合金钢的塑性和韧性。镍作为强奥氏体形成元素，与铬以合理的比例混合后可使合金钢在室温下具有稳定的奥氏体组织。镍还能与铬协同配合，改善合金钢的抗应力耐腐蚀性、高温抗氧化性和强度。
本发明的合金钢中添加有硅，硅能使合金钢对浓硝酸具有一定的耐腐蚀能力。
本发明的合金钢中添加有铝，铝作为一种铁素体形成元素，在适当的添加量下，能促使析出反应发生并形成镍铝析出相，使合金钢强化，进一步提高合金钢的强度。
本发明的合金钢中添加有钼，钼使得合金钢能耐硫酸、磷酸、甲酸、醋酸、尿素等的腐蚀。
本发明的合金钢中添加有铌，铌能与碳优先化合，形成碳化铌，避免了因形成cr23c6而造成贫铬区，有效提高合金钢的耐晶间腐蚀能力。
本发明还在合金钢中创造性地添加了钽、铪和钨，其中钽具有极高的抗腐蚀性，无论是在冷还是热条件下，均不会与盐酸、浓硝酸以及王水发生反应；在150℃下，钽也不会被浓硫酸和无机盐所腐蚀；在常温下，碱溶液、氯气、溴水、稀硫酸以及其他许多药剂均不会与钽起作用。钽的加入不仅能有效提高合金钢对各类腐蚀性物质的耐腐蚀作用，使合金钢富有高延展性和韧性，避免产生脆性裂纹；钽还能与碳形成固溶体和碳化物，与铌协同配合进一步提高合金钢的耐晶间腐蚀能力；钽还能与氮形成固溶体和氮化物，进一步提高改善合金钢的耐腐蚀性能和强度。
铪的加入同样能提高合金钢的抗腐蚀性能、硬度、强度和耐高温性能；钨加入后能与碳形成碳化钨，碳化钨能够进一步提高合金钢的硬度、耐磨性和耐高温性能；而钴不仅是奥氏体形成元素，还能与碳化钨协同进一步提高合金钢的强度。
钽与铪、钽与钨或者钽与钨和铪协同均能进一步提高合金钢的强度和耐高温性能。
本发明的合金钢中添加有碲，碲具有良好的传热和导电性能，不仅能够改善合金钢的切削加工性，还能提高合金钢的硬度。
本发明的合金钢中添加有稀土元素镥和钪，金属镥可以改善钢的加工性能，提高强度、韧性、耐腐蚀性和抗氧化性等。金属钪具有良好的耐高温性能，可显著提高合金钢的耐高温耐高压性能。
一种民用核设备中合金环锻件的制造方法，所述制造方法包括如下工艺步骤：
(1)、下料，钢锭为电渣圆锭，其尺寸为φ600×680mm；
(2)、加热，控制入炉温度小于600℃，并预热2小时；以≤150℃/h升温速度加热至830～850℃，保持温度3小时；以≤150℃/h升温速度加热至1160～1200℃，保持温度5小时；冷却；
(3)、锻造，坯料出炉后控制温度在1120℃以下；
镦拔制坯，采用三镦二拔，以锻透内部组织，包括：
s1、坯料镦粗至400mm；
s2、坯料倒棱滚圆后拔长至600mm；
s3、坯料墩粗至400mm；
s4、坯料倒棱滚圆后拔长至600mm；
s5、坯料墩粗至250mm；
s6、滚圆整形冲孔后压平至出坯高度175mm；
制坯完成后转移到碾环机进行碾制成型，然后进行锻后退火：以≤150℃/h升温速度加热至420～460℃，保持温度2h，以≤150℃/h升温速度加热至750～800℃，保持温度8h，炉冷到550℃空冷；预备热处理：不完全退火，以≤150℃/h升温速度加热至850～900℃，保持温度8h，炉冷到550℃空冷；
(4)、机加工，按图纸规定的尺寸对环件进行车削加工，包括粗车和精车；
(5)、调质热处理
a、用激光热处理机发出的激光束对碾制成型环件的表面进行扫描式照射；
b、对激光扫描照射后的环件以≤150℃/h升温速度加热至850～1100℃，保持温度进行一次回火16h，油冷或空冷；
c、再以≤150℃/h升温速度加热至620～640℃，保持温度进行二次回火16h，空冷；
(6)、去应力退火：以≤150℃/h升温速度加热至580～620℃，保持温度8h，炉冷到450℃空冷。
优选的技术方案是，所述步骤(3)中，镦拔制坯过程中，一旦坯料温度低于1050℃，需回炉保温1～2小时。
优选的技术方案还有，所述步骤(5)a中，对环件表面进行扫描式照射的激光束扫描速度为3～8mm/s，正离焦量为15mm，搭接率20-50％；采用的激光功率1200瓦；激光使工件表面达到rra中回归温度。
优选的技术方案还有，对所述步骤(6)去应力退火处理后的环件再进行力学性能测试，测试指标包括：屈服强度、抗拉强度、延伸率、恰贝冲击功、冲击。
进一步优选的技术方案还有，对通过力学性能测试后的锻件再进行超声波探伤，超声波探伤按en10308质量等级3的规定进行。
本发明的优点和有益效果在于：
(1)本发明将合金钢中的碳含量设置在0.04％以下，以防止出现晶间腐蚀；同时添加的氮能够与碳协同以弥补因碳含量降低而引起的不锈钢强度不足问题，氮也是奥氏体形成元素，对奥氏体组织的稳定性起到重要作用；氮的加入还能改善合金钢的耐腐蚀性能；
(2)本发明将合金钢中的铬含量设置为略高于18％，在提高合金钢的强度、硬度和耐磨性的同时，避免高铬含量影响合金钢的塑性和韧性；镍作为强奥氏体形成元素，与铬以合理的比例混合后可使合金钢在室温下具有稳定的奥氏体组织；镍还能与铬协同配合，改善合金钢的抗应力耐腐蚀性、高温抗氧化性和强度；
(3)本发明的合金钢中添加有硅，硅能使合金钢对浓硝酸具有一定的耐腐蚀能力；
(4)本发明的合金钢中添加有铝，铝作为一种铁素体形成元素，在适当的添加量下，能促使析出反应发生并形成镍铝析出相，使合金钢强化，进一步提高合金钢的强度；
(5)本发明的合金钢中添加有铌，铌能与碳优先化合，形成碳化铌，避免了因形成cr23c6而造成贫铬区，有效提高合金钢的耐晶间腐蚀能力；
(6)本发明还在合金钢中创造性地添加了钽，钽的加入不仅能有效提高合金钢对各类腐蚀性物质的耐腐蚀作用，使合金钢富有高延展性和韧性，避免产生脆性裂纹；钽还能与碳形成固溶体和碳化物，与铌协同配合进一步提高合金钢的耐晶间腐蚀能力；钽还能与氮形成固溶体和氮化物，进一步提高改善合金钢的耐腐蚀性能和强度；
(7)本发明还在合金钢中创造性地添加了铪、钨和钴，铪的加入能提高合金钢的抗腐蚀性能、硬度、强度和耐高温性能；钨加入后能与碳形成碳化钨，碳化钨能够进一步提高合金钢的硬度、耐磨性和耐高温性能；而钴不仅是奥氏体形成元素，还能与碳化钨协同进一步提高合金钢的强度；不仅如此，钽与铪、钽与钨、钽与钨和铪协同均能进一步提高合金钢的强度和耐高温性能。
(8)本发明还在合金钢中创造性地添加了稀土元素镥和钪，金属镥可以改善钢的加工性能，提高强度、韧性、耐腐蚀性和抗氧化性等。金属钪具有良好的耐高温性能，可显著提高合金钢的耐高温耐高压性能。
(9)采用本发明中的锻造方法和热处理方法可以使得坯料不易开裂，耐高温、耐高压持久性长，产品力学性能满足使用要求。减少了以往民用核设备中合金环锻件对特种钢材的大量消耗，降低了生产成本，也使产品能提高质量和档次。
材料力学性能检测结果：
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
一种民用核设备中合金环锻件，所述合金环锻件，按质量百分数计，其化学成份包括：碳≤0.04％，氮0.01％，锰0.6％，铬10％，镍0.2％，硅0.2％，铜0.1％，铝0.4％，钽0.8％，铌1.1％，铪1.5％，钴0.1％，钨1％，钼0.7％，钛0.01％，锡≤0.04％，碲0.3％，镥0.002％，钪0.001％，余量为铁和不可去除的杂质，所述锻件尺寸为φ1317mm×φ647mm×123mm。
一种民用核设备中合金环锻件的制造方法，所述制造方法包括如下工艺步骤：
(1)、下料，钢锭为电渣圆锭，其尺寸为φ600×680mm；
(2)、加热，控制入炉温度小于600℃，并预热2小时；以≤150℃/h升温速度加热至830℃，保持温度3小时；以≤150℃/h升温速度加热至1160℃，保持温度5小时；冷却；
(3)、锻造，坯料出炉后控制温度在1120℃以下；
镦拔制坯，采用三镦二拔，以锻透内部组织，包括：
s1、坯料镦粗至400mm；
s2、坯料倒棱滚圆后拔长至600mm；
s3、坯料墩粗至400mm；
s4、坯料倒棱滚圆后拔长至600mm；
s5、坯料墩粗至250mm；
s6、滚圆整形冲孔后压平至出坯高度175mm；
镦拔制坯过程中，一旦坯料温度低于1050℃，需回炉保温1～2小时。
制坯完成后转移到碾环机进行碾制成型，然后进行锻后退火：以≤150℃/h升温速度加热至420℃，保持温度2h，以≤150℃/h升温速度加热至750℃，保持温度8h，炉冷到550℃空冷；预备热处理：不完全退火，以≤150℃/h升温速度加热至850℃，保持温度8h，炉冷到550℃空冷；
(4)、机加工，按图纸规定的尺寸对环件进行车削加工，包括粗车和精车；
(5)、调质热处理
a、用激光热处理机发出的激光束对碾制成型环件的表面进行扫描式照射，对环件表面进行扫描式照射的激光束扫描速度为3mm/s，正离焦量为15mm，搭接率20％；采用的激光功率1200瓦；激光使工件表面达到rra中回归温度；
b、对激光扫描照射后的环件以≤150℃/h升温速度加热至850℃，保持温度进行一次回火16h，空冷；
c、再以≤150℃/h升温速度加热至620℃，保持温度进行二次回火16h，空冷；
(6)、去应力退火：以≤150℃/h升温速度加热至580℃，保持温度8h，炉冷到450℃空冷。
去应力退火处理后的环件再进行力学性能测试，测试指标包括：屈服强度、抗拉强度、延伸率、恰贝冲击功、冲击。
对通过力学性能测试后的锻件再进行超声波探伤，超声波探伤按en10308质量等级3的规定进行。
实施例2
一种民用核设备中合金环锻件，所述合金环锻件，按质量百分数计，其化学成份包括：碳≤0.04％，氮0.02％，锰0.75％，铬12.5％，镍0.45％，硅0.4％，铜0.15％，铝0.5％，钽1.5％，铌1.25％，铪2.35％，钴0.2％，钨2％，钼0.85％，钛0.01～0.04％，锡≤0.04％，碲0.3～0.6％，镥0.002～0.003％，钪0.001～0.002％，余量为铁和不可去除的杂质。
优选的技术方案是，所述锻件尺寸为φ1317mm×φ647mm×123mm。
一种民用核设备中合金环锻件的制造方法，所述制造方法包括如下工艺步骤：
(1)、下料，钢锭为电渣圆锭，其尺寸为φ600×680mm；
(2)、加热，控制入炉温度小于600℃，并预热2小时；以≤150℃/h升温速度加热至830～850℃，保持温度3小时；以≤150℃/h升温速度加热至1160～1200℃，保持温度5小时；冷却；
(3)、锻造，坯料出炉后控制温度在1120℃以下；
镦拔制坯，采用三镦二拔，以锻透内部组织，包括：
s1、坯料镦粗至400mm；
s2、坯料倒棱滚圆后拔长至600mm；
s3、坯料墩粗至400mm；
s4、坯料倒棱滚圆后拔长至600mm；
s5、坯料墩粗至250mm；
s6、滚圆整形冲孔后压平至出坯高度175mm；
镦拔制坯过程中，一旦坯料温度低于1050℃，需回炉保温1～2小时。
制坯完成后转移到碾环机进行碾制成型，然后进行锻后退火：以≤150℃/h升温速度加热至420～460℃，保持温度2h，以≤150℃/h升温速度加热至750～800℃，保持温度8h，炉冷到550℃空冷；预备热处理：不完全退火，以≤150℃/h升温速度加热至850～900℃，保持温度8h，炉冷到550℃空冷；
(4)、机加工，按图纸规定的尺寸对环件进行车削加工，包括粗车和精车；
(5)、调质热处理
a、用激光热处理机发出的激光束对碾制成型环件的表面进行扫描式照射，对环件表面进行扫描式照射的激光束扫描速度为3～8mm/s，正离焦量为15mm，搭接率20-50％；采用的激光功率1200瓦；激光使工件表面达到rra中回归温度；
b、对激光扫描照射后的环件以≤150℃/h升温速度加热至980℃，保持温度进行一次回火16h，油冷或空冷；
c、再以≤150℃/h升温速度加热至600℃，保持温度进行二次回火16h，空冷；
(6)、去应力退火：以≤150℃/h升温速度加热至580～620℃，保持温度8h，炉冷到450℃空冷。
去应力退火处理后的环件再进行力学性能测试，测试指标包括：屈服强度、抗拉强度、延伸率、恰贝冲击功、冲击。
对通过力学性能测试后的锻件再进行超声波探伤，超声波探伤按en10308质量等级3的规定进行。
实施例3
一种民用核设备中合金环锻件，所述合金环锻件，按质量百分数计，其化学成份包括：碳≤0.04％，氮0.03％，锰0.6％，铬10％，镍0.8％，硅0.2％，铜0.1％，铝0.4％，钽0.8％，铌1.1％，铪1.5％，钴0.1％，钨1％，钼0.7％，钛0.01％，锡≤0.04％，碲0.3％，镥0.002％，钪0.001％，余量为铁和不可去除的杂质，所述锻件尺寸为φ1317mm×φ647mm×123mm。
一种民用核设备中合金环锻件的制造方法，所述制造方法包括如下工艺步骤：
(1)、下料，钢锭为电渣圆锭，其尺寸为φ600×680mm；
(2)、加热，控制入炉温度小于600℃，并预热2小时；以≤150℃/h升温速度加热至850℃，保持温度3小时；以≤150℃/h升温速度加热至1200℃，保持温度5小时；冷却；
(3)、锻造，坯料出炉后控制温度在1120℃以下；
镦拔制坯，采用三镦二拔，以锻透内部组织，包括：
s1、坯料镦粗至400mm；
s2、坯料倒棱滚圆后拔长至600mm；
s3、坯料墩粗至400mm；
s4、坯料倒棱滚圆后拔长至600mm；
s5、坯料墩粗至250mm；
s6、滚圆整形冲孔后压平至出坯高度175mm；
镦拔制坯过程中，一旦坯料温度低于1050℃，需回炉保温1～2小时。
制坯完成后转移到碾环机进行碾制成型，然后进行锻后退火：以≤150℃/h升温速度加热至460℃，保持温度2h，以≤150℃/h升温速度加热至800℃，保持温度8h，炉冷到550℃空冷；预备热处理：不完全退火，以≤150℃/h升温速度加热至900℃，保持温度8h，炉冷到550℃空冷；
(4)、机加工，按图纸规定的尺寸对环件进行车削加工，包括粗车和精车；
(5)、调质热处理
a、用激光热处理机发出的激光束对碾制成型环件的表面进行扫描式照射，对环件表面进行扫描式照射的激光束扫描速度为3～8mm/s，正离焦量为15mm，搭接率20-50％；采用的激光功率1200瓦；激光使工件表面达到rra中回归温度；
b、对激光扫描照射后的环件以≤150℃/h升温速度加热至1100℃，保持温度进行一次回火16h，空冷；
c、再以≤150℃/h升温速度加热至620～640℃，保持温度进行二次回火16h，空冷；
(6)、去应力退火：以≤150℃/h升温速度加热至620℃，保持温度8h，炉冷到450℃空冷。
去应力退火处理后的环件再进行力学性能测试，测试指标包括：屈服强度、抗拉强度、延伸率、恰贝冲击功、冲击。
对通过力学性能测试后的锻件再进行超声波探伤，超声波探伤按en10308质量等级3的规定进行。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。