一种高温透平转子锻件用耐热钢及其制备方法与流程

本发明涉及金属材料，尤其涉及一种高温透平转子锻件用耐热钢及其制备方法。

背景技术：

1、透平机械是将流体工质中的能量转换成机械功的机器，透平机械的工质可以是蒸汽、燃气、空气等气体，也可以是水、油等液体。一般对于工质是气体的透平机械而言，工质气体的温度和压力越高，透平机械的能量转换效率越高，但是同时也对透平机械的零部件性能提出了更高的要求，特别是工作温度为高温的零部件。

2、特别地，对于火力发电而言，汽轮机是将蒸汽热能转变为机械功的关键部件。蒸汽温度和压力的提高，可以提高发电效率、降低煤耗、降低co2、nox、sox等污染气体，具有显著的经济效益和社会效益。在过去几十年里，汽轮机的蒸汽参数已由亚临界、超临界提升到620℃、630℃等级的超临界参数，目前正在向更高温度等级汽轮机组发展。提高汽轮机蒸汽温度，高温零部件工作环境进一步恶化，对材料的高温强度和抗高温氧化性能提出更高的要求。此外，随着多能互补等概念的提出，新能源电力供应逐步上升，火电将成为重要的托底和调峰电源，这将对火电汽轮机运行的灵活性提出了更大的要求，汽轮机关键部件的疲劳性能，特别是转子锻件的低周疲劳性能，是影响机组灵活性和安全性的重要因素。

3、目前由现有材料制备的锻件无法同时具备良好的高温强度、低周疲劳性能和抗氧化性能，因此需要进行进一步研究。

技术实现思路

1、针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种高温透平转子锻件用耐热钢，其兼具优异的高温强度、低周疲劳性能和抗氧化性能，能够满足工作温度为650℃及以下的透平机械锻件的使用要求。

2、本发明提供了一种高温透平转子锻件用耐热钢，包括以下质量百分比的各化学元素：c：0.11-0.17％，si：0.02-0.095％，mn：0.22-0.5％，cr：10.6-11.8％，co：2.5-2.9％，mo：0.01-0.18％，w：2.55-3.4％，v：0.12-0.39％，nb：0.03-0.07％，ni：0.12-0.29％，cu：0.3-0.7％，b：0.019-0.035％，n：0.012-0.035％，y：0-0.5％，余量为fe及不可避免的杂质。

3、优选地，所述耐热钢包括以下质量百分比的各化学元素：c：0.12-0.15％，si：0.02-0.045％，mn：0.25-0.35％，cr：10.9-11.1％，co：2.65-2.85％，mo：0.01-0.09％，w：3.05-3.35％，v：0.31-0.37％，nb：0.04-0.06％，ni：0.12-0.24％，cu：0.45-0.65％，b：0.019-0.027％，n：0.0155-0.029％，y：0-0.5％，余量为fe及不可避免的杂质。

4、优选地，所述y的质量百分比为0.26-0.34％。

5、本发明还提供了一种前述耐热钢的制备方法，包括以下步骤：按元素配比称取原料混合后，经过冶炼、钢包精炼和真空除气后浇注成电极棒，电极棒经电渣重熔处理和冷却凝固后形成钢锭，将钢锭锻造成透平转子型坯，并进行热处理。

6、优选地，所述热处理包括一次淬火和两次回火工序。

7、优选地，淬火温度为1100℃-1150℃，第一次回火温度为580℃-660℃，第二次回火温度为670℃-730℃。

8、本发明还提供了前述耐热钢在透平机械中的用途。

9、优选地，所述透平机械为汽轮机。

10、相较于现有技术，本发明有如下的有益效果：

11、c元素保证了钢的淬透性，促进马氏体转变，是碳化物形成的重要元素，可以提高钢的强度；但是c元素过量，会降低材料韧性，不利于低周疲劳性能。因此，c含量为0.11-0.17％，更优选的c含量为0.12-0.15％。

12、si和mn是钢水中的脱氧剂和脱硫剂，si可以提高材料抗氧化性能，mn可以提高钢的淬透性和强度；但是si和mn会降低材料塑性和韧性，因此，si含量为0.02-0.095％、mn含量为0.22-0.50％，更优选的si含量为0.02-0.045％、mn含量为0.25-0.35％。

13、cr是提供钢抗氧化性能的重要元素，也是碳化物的重要形成元素；但是cr含量过高将容易产生δ铁素体、长期服役后易产生z相，降低材料长时高温强度。因此，cr含量为10.6-11.8％，更优选的cr含量为10.9-11.1％。

14、co是重要的固溶强化元素，同时可以抑制δ铁素体的形成；但是co含量过量会促进碳化物的粗化，降低材料低周疲劳性能。因此，co含量为2.5-2.9％，更优选的co含量为2.65-2.85％。

15、mo和w是两个重要的固溶强化元素，对材料高温强度有重要作用；但是mo含量添加过量会形成大块一次碳化物，降低材料低周疲劳性能，w含量过高会降低材料的工艺性，制造过程中容易偏析。因此，mo含量为0.01-0.18％、w含量为2.55-3.4％，更优选的mo含量为0.01-0.09％、w含量为3.05-3.35％。

16、v和nb是钢中细小弥撒碳氮化物的重要形成元素，增加材料高温强度；但是v含量过高，则会降低材料韧性，nb含量过高，则易形成粗大的一次nbc相，降低材料低周疲劳性能。因此，v含量为0.12-0.39％，nb含量为0.03-0.07％，更优选的v含量为0.31-0.37％，nb含量为0.04-0.06％。

17、ni可以增加材料的淬透性，对材料韧性有重要影响；但是ni含量过高，会降低材料高温长时强度。因此，ni含量为0.12-0.29％，更优选的ni含量为0.12-0.24％。

18、cu可以形成弥散分布的富铜相，提高材料高温强度和低周疲劳性能；但是cu含量过高，富铜相粗化降低强化效果，且会降低材料塑性。因此，cu含量为0.3-0.7％，更优选的cu含量为0.45-0.65％。

19、b可以抑制晶界碳化物长大，提高材料高温长时强度，n是钢中细小弥散碳氮化物的重要形成元素，可以提高材料强度和低周疲劳性能；但是b和n含量过高则会形成粗大的bn相，降低低周疲劳性能。因此，b含量为0.019-0.035％、n含量为0.012-0.035％，更优选的b含量为0.019-0.027％、n含量为0.0155-0.029％。

20、y是稀土元素，添加微量的y元素可以进一步提高材料的抗氧化性能、强度和低周疲劳性能；但是y含量添加过量，强化效果减弱。因此，y含量为0-0.5％，更优选的y含量为0.26-0.34％。

21、相较于现有技术，本发明材料制备的锻件具有优异的高温持久强度、低周疲劳性能和抗氧化性能，完全可以满足工作温度为650℃及以下的高温透平转子的使用要求。本发明的锻件制备方法操作简单，易于实施生产。

技术特征：

1.一种高温透平转子锻件用耐热钢，其特征在于，包括以下质量百分比的各化学元素：c：0.11-0.17％，si：0.02-0.095％，mn：0.22-0.5％，cr：10.6-11.8％，co：2.5-2.9％，mo：0.01-0.18％，w：2.55-3.4％，v：0.12-0.39％，nb：0.03-0.07％，ni：0.12-0.29％，cu：0.3-0.7％，b：0.019-0.035％，n：0.012-0.035％，y：0-0.5％，余量为fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的耐热钢，其特征在于，所述耐热钢包括以下质量百分比的各化学元素：c：0.12-0.15％，si：0.02-0.045％，mn：0.25-0.35％，cr：10.9-11.1％，co：2.65-2.85％，mo：0.01-0.09％，w：3.05-3.35％，v：0.31-0.37％，nb：0.04-0.06％，ni：0.12-0.24％，cu：0.45-0.65％，b：0.019-0.027％，n：0.0155-0.029％，y：0-0.5％，余量为fe及不可避免的杂质。

3.根据权利要求1或2所述的耐热钢，其特征在于，所述y的质量百分比为0.26-0.34％。

4.一种如权利要求1-3中任一项所述的耐热钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按元素配比称取原料混合后，经过冶炼、钢包精炼和真空除气后浇注成电极棒，电极棒经电渣重熔处理和冷却凝固后形成钢锭，将钢锭锻造成透平转子型坯，并进行热处理。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述热处理包括一次淬火和两次回火工序。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，淬火温度为1100℃-1150℃，第一次回火温度为580℃-660℃，第二次回火温度为670℃-730℃。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的耐热钢在透平机械中的用途。

8.根据权利要求7所述的用途，其特征在于，所述透平机械为汽轮机。

技术总结
本发明提供了一种高温透平转子锻件用耐热钢，包括以下质量百分比的各化学元素：C：0.11‑0.17％，Si：0.02‑0.095％，Mn：0.22‑0.5％，Cr：10.6‑11.8％，Co：2.5‑2.9％，Mo：0.01‑0.18％，W：2.55‑3.4％，V：0.12‑0.39％，Nb：0.03‑0.07％，Ni：0.12‑0.29％，Cu：0.3‑0.7％，B：0.019‑0.035％，N：0.012‑0.035％，Y：0‑0.5％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明还提供了一种前述耐热钢的制备方法及前述耐热钢在透平机械中的用途。相较于现有技术，本发明材料制备的锻件具有优异的高温持久强度、低周疲劳性能和抗氧化性能，完全可以满足工作温度为650℃及以下的高温透平转子的使用要求。本发明的锻件制备方法操作简单，易于实施生产。

技术研发人员：孙林根,梅林波,王煜,陆翌昕,韩波,安春香,师帅
受保护的技术使用者：上海电气电站设备有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21