автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Структура и свойства теплоустойчивой 3% Cr-Mo-V стали после термической обработки применительно к дискам паровых турбин

Введение

1.Современное состояние вопроса.

1.1 .Критерии выбора материалов для дисков паровых турбин с рабочей температурой до 550° С.

1.2. Теплоустойчивые Cr-Mo-V и Cr-Mo-W-V стали, применяемые для дисков турбин

1.3.Влияние химического состава и структуры на свойства теплоустойчивых сталей

1.4. Технология изготовления турбинных дисков

1.5. Некоторые результаты исследований металла крупных поковок из 3% Cr-Mo-W-V стали и статистический анализ промышленных заготовок 18 1.6.Оптимизация химического состава 3% Cr-Mo-W-V стали 21 1.7 .Постановка задачи.

2.Материал и методика исследования

2.1.Материал. ■ ч

2.2. Методика.

3.Механические свойства стали ЭИ415 с различным содержанием молибдена и вольфрама

4.Кинетика распада переохлажденного аустенита и оценка температурного состояния при закалке дисков 37 4.1 .Влияние замены вольфрама на молибден на критические точки и кинетику фазовых превращений 37 4.2.Расчет температурных полей и определение скоростей охлаждения при закалке опытно-промышленных дисков

5.Исследование свойств металла безвольфрамовой стали 20ХЗМ1ФА\ЭИ415М\. 50 5.1 .Технологические свойства безвольфрамовой стали 50 5.2.Механические свойства по сечению дисков 51 5.3 .Механические свойства при повышенных температурах

5.4.Механические свойства после длительных тепловых выдержек

5.5.Длительная прочность 57 5.6,Оценка сопротивляемости хрупким разрушениям 64 5.6.1 .Критическая температура хрупкости 64 5.6.2.0пределение характеристик трещиностойкости

6.Исследование структуры и фазового состава 71 6.1 .Исследование структуры оптическими методами 71 6.2.Электронноскопическое исследование структуры

7.Влияние режимов термической обработки на свойства безвольфрамовой стали 96 7.1.Влияние температуры и длительности отпуска на свойства безвольфрамовой стали

7,2.0ценка отпускной хрупкости

8.Анализ результатов и сравнение комплекса свойств безвольфрамовой и базовой стали ЭИ415. 100 Выводы 106 Список литературы 108 Приложение

Современное энергомашиностроение требует постоянного совершенствования применяемых материалов.

Для наиболее ответственных деталей паровых турбин с рабочей температурой до 550 °С широкое применение получили теплоустойчивые перлитные стали, легированные хромом, молибденом , ванадием, а также вольфрамом.

В настоящей работе решали задачу выбора материала для дисков паровой турбины П23-8,8\0,8, что требует применения стали с высоким комплексом служебных свойств и в том числе: а 02 -680МПа, о 10s 535 ^186МПа

В качестве базы для решения этой проблемы может служить сталь марки 20ХЗМВФА\ЭИ415\. Однако, применение этого материала создает трудности технологического и экономического характера, связанные с наличием в ее составе вольфрама. Растворение W затруднено при выплавке стали, в крупных поковках возможно образование ликвационных зон, при термической обработке стали с вольфрамом имеют повышенную склонность к трещинообразованию, а также пониженную свариваемость. Кроме того, теплоустойчивые стали с вольфрамом имеют невысокую вязкость. Так как вольфрам относится к дорогостоящим металлам, то снижение его количества или замена на другой легирующий элемент, позволяет получить ощутимую экономию. Сталь 20ХЗМВФА используется для дисков с КП65-67,поэтому актуальным является получение более прочного \КП70\ и вязкого материала, обеспечивающего жаропрочность не ниже уровня этой стали , при одновременном решении вышеназванных проблем.

Исследования отечественных ученых в начале 60-х годов, а также более поздние работы, проведенные зарубежом, свидетельствуют о возможности замены вольфрама на молибден в некоторых жаропрочных сталях, известна подобная практика для отдельных конструкционных сталей. Однако, в отечественном энергомашиностроении применительно к крупным изделиям из перлитных теплостойких 3% Cr-Mo-W-V сталей подобные исследования не проводились. Поэтому исследование и разработка высокотехнологичной безвольфрамовой теплоустойчивой дисковой стали с повышенной вязкостью и прочностью, обладающей жаропрочностью на уровне базовой стали ЭИ415, является актуальной задачей.

Целью данной работы являлось исследование свойств и структуры безвольфрамовой стали ЭИ415М, изучение влияния режимов термической обработки на ее свойства применительно к дискам паровых турбин.

Применение материалов требует всестороннего изучения их свойств для конкретных условий эксплуатации. Поэтому в работе проведена $ комплексная оценка механических свойств, в том числе при повышенных температурах, жаропрочности, склонности к хрупким разрушениям. Особую актуальность заключается в получении характеристик, являющихся расчетными при проектировании деталей.

Работа состоит из восьми разделов. В первом разделе изложено современное состояние проблемы, приведены основные критерии выбора материалов, подробным образом рассмотрено влияние химического состава и структуры на свойства теплоустойчивых сталей. Отдельно обсуждается вопрос технологии изготовления дисков. Во втором разделе изложена методика исследования.

В третьем разделе приведены данные предварительного исследования влияния различного содержания молибдена и вольфрама в стали ЭИ415 на механические свойства.

В четвертом разделе изучена кинетика распада переохлажденного аустенита безвольфрамовой стали и произведен расчет температурных полей при закалке промышленных дисков, что позволило обеспечить прогнозирование и объяснить комплекс полученных свойств.

В пятом и шестом разделах изучены механические свойства, в том числе при повышенных температурах, жаропрочность и склонность к хрупким разрушениям, исследована структура дисков из безвольфрамовой стали.

В седьмом разделе приведены результаты исследования влияния термической обработки на свойства безвольфрамовой стали. Восьмой раздел посвящен анализу полученных данных.

Полученные результаты позволили предложить новую теплоустойчивую безвольфрамовую сталь и дать практические рекомендации по ее применению для дисков паровых турбин. В работе обобщены результаты исследования, выполненные на Невском заводе совместно с Центральным котлотурбинным институтом им. Ползунова . Автор благодарит за участие и помощь сотрудников ЦКТИ д.т.н.Рыбникова А.И., к.т.н. Артамонова В.В., Мельникову И.С., Манилову Е.П., а также начальника ЦЗЛ H3JI к.т.н.Гобеджишвили А.Е.

Выводы

1.С целью выбора материала для высоконагруженных дисков паровых турбин выполнен обзор современных исследований по материалам применяемых в паротурбостроении при рабочих температурах до 550°С , проведен анализ марок сталей, рассмотрены системы легирования и технологии изготовления заготовок, определена базовая, наиболее жаропрочная в своем классе сталь 20ХЗМВФА \ЭИ415\, намечены пути корректировки ее химического состава и термической обработки для повышения эксплутационных свойств , технологичности и технико-экономических показателей.

2.Предложена новая высокопрочная теплоустойчивая экономнолегированная сталь, полученная путем замены в стали ЭИ415 вольфрама на молибден в соотношении 2:1 при следующем содержании основных легирующих элементов:

С 0,17-0,24%, Сг 2,4-3,2%, Мо 0,5-0,8%, V 0,6-0,8%.

Исследование проведено на металле промышленной плавки, из которой были изготовлены опытно-промышленные диски.

3.Построена термокинетическая диаграмма распада переохлажденного аустенита безвольфрамовой стали, проведен расчет температурных полей при закалке натурных изделий. Определены скорость охлаждения при закалке дисков \0,5-2°С\с\, обеспечивающая распад преимущественно в бейнитной области, и время охлаждения в закалочной среде, необходимое для завершения структурных превращений. Предложено уточнить режим термической обработки путем снижения температуры нагрева примерно на 20-30°С и закалки в раствор полимера с целью интенсификации охлаждения дисков сечением более 250-300мм.

4.В результате исследования установлено, что в стали ЭИ415 замена вольфрама на молибден в соотношении 2 к 1:

-расширяет бейнитную область, почти не влияет на критические точки Aci, Ari, Асз, Агз и Мн, снижает Ei и Мк на 16-34 °С;

- повышает вязкость, а также пластичность при сохранении прочности \ в т.ч. при повышенных температурах\ и обеспечении длительной прочности на уровне базовой стали,

-не приводит к возникновению принципиальных отличий в структуре при соответствующих скоростях охлаждения.

5.Проведено комплексное исследование новой стали 20ХЗМ1ФА \ЭИ415М\ на металле натурных дисков диаметром 1000мм и высотой ступицы 150-300мм, получены свойства, позволяющие оценить расчетные характеристики материала. Установлен высокий и однородный комплекс свойств по всему сечению дисков. При этом в зависимости от заданного режима отпуска обеспечивается уровень прочности : ао2 680-840 МПа, в том числе при повышенных температурах аог500 520-555МПа и ао2550 470

480МПа при удовлетворительной пластичности \5- 12%\ и ударной вязкости \KCU-480 кДж\см2\. Установлена достаточно высокая стабильность свойств при длительных тепловых выдержках 500 и 550°С. б.Определена длительная прочность металла при 500 и 550°С. На базе 100000 часов она составляет 225-320 МПа \в зависимости от исходной прочности \ и 17 5МПа соответственно.

Высказано аргументированное предположение о максимально достижимом значении \175-180МПа\ длительной прочности за 100000 часов при 550°С для ряда теплоустойчивых Cr-Mo-V и Cr-Mo-W-V сталей, в том числе при замене W на Мо в соотношении 2 к 1 и изменении содержания W от 0,5% до нуля в сталях типа ЭИ415.

7.Установлена зависимость вязкости новой стали, оцениваемой по ударной вязкости, критической температуре хрупкости и коэффициенту интенсивности напряжений, от уровня прочности \КП70-85\ , скорости охлаждения при закалке, а также ликвации в заготовке. Вязкость имеет наибольшие значения в периферийных зонах дисков с КП70, наименыние-в центральных частях ступицы с КП85.Определены Тк50 - 20-90°С и Kic-280-420 кгс\мм3'2 \87-131 МПахмш\, что позволило произвести расчет критического размера дефекта в металле дисков из новой стали.

8. Изучена структура металла дисков из безвольфрамовой стали, представляющая отпущенный бейнит по всему сечению. Установлен состав упрочняющей карбидной фазы, представленный карбидами двух типов М7С3 \(Мо,Сг?)Сз\ и МС \VC\, определены их размеры и распределение между телом и границами зерен.

Стабильность свойств исследуемой стали обеспечивается отсутствием существенных структурных изменений и отсутствием фазового перехода одного вида карбида в другой.

9.Изучено влияние режимов термической обработки на свойства новой стали, установлена зависимость Тк50 и KCU от скорости охлаждения при закалке, оценена склонность к отпускной хрупкости и отпускоустойчивость стали в зависимости от параметра Холломона.

10.Исследование показало перспективность замены в 3%Cr-Mo-W-V сталях вольфрама на молибден по формуле Моэкв. =Mo+1\2W,4to позволяет обеспечить свойства на уровне базовой марки при повышенной вязкости и технологичности. Рекомендовано принять безвольфрамовую теплоустойчивую сталь 20ХЗМ1ФА \ЭИ415М\ к широкому использованию для заготовок ответственного назначения, в том числе для дисков паровых турбин с рабочей температурой до 550°С. На основе результатов исследования разработаны технические условия на сталь.

1. Турбо- и компрессоростроение. Под ред. Елисеева В.А. Л. Машиностроение Д970.

2. Сичиков М.Ф. Металлы в турбостроении М.:Машгиз, 1954.

3. Скляров Н.М. Технико-экономические характеристики конструкционных сплавов. М.:МиТОМ, 1981 ,N6.

4. Tanaka R. Trends and Material Requirements of High-Temperature Equipment. J. Nippon Steel. Technical Report. 1983.

5. Паровые турбины.-Турбины и компрессоры. НИКТИТ.1. С-Пб.,1997,вып.З-4.б.Одинг.И. Основы прочности металлов паровых котлов, турбин и турбогенераторов. Л.:ГЭИ, 1949.

6. Мороз JI.C. Механика и физика деформаций и разрушений материалов. М. Машиностроение ,1984.

7. КогутН.С. Трещиностойкость конструкционных материалов. Львов.Вища школа,1986.

8. Ирвин Д., Парис П. Основные теории роста трещин и разрушения. В кн. Разрушение. М.:Мир,1976.

9. Ю.Качанов М.М. Основы механики разрушений. М.:НаукаД974.11 .Махутов Н. А. Расчетные характеристики сопротивлению хрупкому разрушению и методы их определения. М.:-Заводская лаборатория,1976, N8.

10. Махутов Н.А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. М.: Машиностроение, 1981.

11. Разрушение. Под ред. Либовиц Г. М.:Мир,1977.

12. Серенсен С.В., Махутов Н.А. Сопротивление хрупкому разрушению элементов конструкций. -Проблемы прочности, 1971,N4.

13. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов, М.: Машиностроение, 1974.

14. Дроздовский Б.А., Морозов Е.М. Методы оценки вязкости разрушения. М.:-Заводская лаборатория, 1976 N8.

15. Барсом Д., Ральф С. Корреляция между Kic и результатами испытаний образцов Шарпи с V-образным надрезом в интервале критических температур. В кн.: Ударные испытания материалов. М.Д973.

16. Чижик А.И.Теплоустойчивая сталь для роторов паровых турбин. Свойства материалов , применяемых в турбостроении и методы их испытаний. ЛМЗ.М.-Л. .Машгиз,1962.

17. Адамович В.К. Развитие методов оценки служебных свойств жаропрочных материалов.-Энергомашиностроение ,1977, N9.20.0динг И.А. и др. Теория ползучести и длительной прочности металлов.

18. М. Металлургия ,1959. 21.Физическое металловедение. Под ред. Кана P.M. .Мир, 1968. 22.Чижик А.А. Вопросы применения механики разрушения к анализу работоспособности материалов паровых турбин при наличии дефектов и трещин.-Труды ЦКТИ. Л.,1978,вып 160.

19. Малинин И.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.:Машиностроение,1975.

20. Роботнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. М.:Наука,1966.

21. Адамович В.К., Ревзюк М.Б., Станюкович А.В. Надежность методов дальнего прогнозирования длительной прочности материалов энергомашиностроения на большие сроки службы.

22. Труды ЦКТИ,Л.Д975, вып.130. 26.Чижик А.А. Влияние различных факторов на сопротивляемость развитию трещин при высоких температурах.-Труды ЦКТИ,Л., 1979, вып169.

23. Адамович В.К. и др. Разработка расчетных характеристик прочности и пластичности для материалов при высоких температурах.-Труды ЦКТИ,Л.,1978,вып160.

24. Гуляев Б.Б. Синтез сплавов. М.Металлургия ,1984.

25. Михайлов -Михеев П.Б. Металл газовых турбин.М.-Л.:Машгиз,1958.

26. Приданцев М.И., ДавыдоваЛ.Н., ТамаринаИ.А. Конструкционные стали.М. Металлургия, 1980.

27. Гудремон Э. Специальные стали М. Металлургия Д960.

28. Гуляев А.П. Металловедение.М.Металлургия,1978.

29. Гуляев А.П.Чистая сталь .М. Металлургия, 1975.

30. Салли А. Ползучесть металлов и жаропрочных сплавов. М. :Оборонгиз, 1953.

31. Claude 1. Clark. High-Temperature Alloys.Pitman publishing corporation. New-York.1953.

32. Приданцев M.B., Ланская К.А. Стали для котлостроения . М. Металлургия, 1958.

33. Броек Д. Основы механики разрушений. М.:Высшая школа. 1980.

34. Judje A.W. Modern Gas Turbines.2 ed/.London,1950.

35. Colbeck E.W., Rait J.K. Symposium of High Temperature Steels and Alloys for Gas Turbines. London, 1951.

36. Wood G., Rait J.R. Iron and Coal Trades Rewiew,1949, N158.

37. Kirklby H., Sykes С. Свойства материалов , предназначенных для газовых турбин. Symposium of High Temperature Steels and Alloys for Gas Turbines. London, 1951.

38. Conway C.G. Heat-Resisting Steels and Alloys.London,1953.

39. Oliver D., Harris G. Некоторые проверенные газотурбинные стали и связанные с ними достижения. Symposium of High Temperature Steels and Alloys for Gas Turbines. London, 1951.

40. Fujita T. Effect of Molybdenum and Tungsten on the Long Term Creep Rupture Strength of 12% Chronium Heat Resisting Steel Containing Vanadium. Niobium and Borum.Transaction of the Iron and Steel Institute of Japan, 1978, 18, p. 115-124.

41. Ланская К.А.Теплостойкие стали.-Итоги науки и техники.ВИНИТИ.

42. Металловедение и термическая обработка ,1980.

43. Ланская К.А. Жаропрочные стали.М. Металлургия, 1969.

44. Авсиян М.Б. Прогнозирование пределов длительной прочности сталей по химическому составу и результатам кратковременных испытаний .Заводская лаборатория,1984, N9.

45. Irving P.R/ A Microalloyed Cr-Mo Steel for High Temperature Service .Iron Age, 1982, June 25.

46. Бабаскин Ю.З., Шипицин С .Я., Афтандилянц Е.Г. Экономное легирование стали. Киев:Наукова думка, 1987.

47. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали.М. :Наука, 1977.

48. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М. Металлургия,1984.

49. Адамович В.К. Влияние содержания молибдена на свойства перлитных жаропрочных сталей .-МиТОМ,1977,Ш1.

50. Борисов И.А., Борисов А.И. Влияние углерода на свойства конструкционных сталей. -МиТОМД995, N4.

51. Станюкович А.В.Хрупкость и пластичность жаропрочных материалов. М. Металлургия,1967.

52. Борнацкий И.И. Физико-химические основы сталеплавильных процессов. М. Металлургия,1974.

53. Бернштейн М.Л., Займовский В.А., Капуткина Л.М. Термомеханическая обработка стали. М.:МеталлургияД983.

54. Охрименко Я.М.Ковка и горячая штамповка. М.:МеталлургияД978.

55. Генерсон И.Г. Производство поковок турбинных и компрессорных дисковМ.-Л. Машгиз, 1962.

56. Генерсон Н.Г. Поковки из специальных сталей. Л. Машиностроение, 1967.

57. Генерсон И.Г. и др.Исследование и разработка рациональной технологии производства поковок дисков из стали перлитного класса ЭИ415 для ГТУ магистральных газопроводов.-Отчет НЗЛ. Л., 1961.

58. Склюев П.В. Водород и флокены в крутных поковках. М. Машгиз, 1963.

59. Блантер М.Е. Фазовые превращения при термической обработке стали. М. Металлургия, 1962.

60. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М. Металлургия,1986.

61. Термическая Обработка в машиностроении. Справочник.Под. ред. Лахтина Ю.М.М. Машиностроение,1980.

62. Шмыков А.А.Справочник термиста. М.Машиностроение,1956.

63. БорздыкаА.М., Цейтлин В.З. Термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов. М. Машиностроение, 1964.

64. Рахштадт А.Г., Ланская К.А., Горячев В.В. Исследование процессов растворения и выделения карбидной фазы в среднеуглеродистых сталях.-МиТОМ,1981, N2.

65. Чижик А.И., Хейн Е.А. Влияние термической обработки на чувствительность к надрезу при длительном разрыве стали 25Х2МФА,-Сб.ЛМЗ.Свойства металлов , применяемых в турбостроении и методы их испытаний Л.Машгиз,1955.

66. Артемов А.В. Исследование влияния состава на структуру и свойства перлитной стали, применяемой для деталей энергооборудования.Канд. дис.М. МЭИ,1977.

67. Гуляев А.П. Теория предельного легирования,- МиТОМ,1965, N8

68. Борисов И. А. Интенсификация охлаждения при закалке деталей энергетических машин- способ надежности их работы. МиТОМД989, N9.

69. Толстоусов А.В., Банных О.А. Охлаждающая способность водных растворов сульфидного щелока. МиТОМ, 1989, N9.

70. Толстоусов А.В., Банных О.А. Новые закалочные среды на основе водорастворимых полимеров. МиТОМ, 1981, N2.

71. Синявцев Г.Д., Кузнецов И.Б., Лопатин П.М. Кинетика охлаждения и особенности образования структуры при закалке в полимерных закалочных средах. МиТОМ, 1981, N2.

72. Попов А.А., Попова Л.Е. Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита. М. .Металлургия, 1965

73. Долженков И.Е., Долженков И.И. Сфероидизация карбидов в стали. М. Металлургия, 1984.

74. Белоус М.В., Черепин В.Т., Васильев М.А. Превращения при отпуске стали . М. Металлургия, 1973.

75. Лошкарев В.Е., Немзнер Г.Г. Исследование интенсивных режимов закалки изделий сложной формы.-Промышленная теплотехника, 1 982,t.4,N5 .

76. Немзер Г.Г. и др. Интенсификация охлаждения крупных турбинных при закалке. -Энергомашиностроение, 1983,N11.

77. Лошкарев В.Е., Колпишон Э.Э. Применение полимерных сред для закалки крупных деталей.- МиТОМ,1986, N10.

78. Лошкарев В.Е., Немзнер Г.Г.,Самойлович Ю.А. Определение теплофизических характеристик стали из решения обратной задачи теплопроводности,- -Промышленная теплотехника, 1 980,t.2,N3 .

79. Немчинский A.JI. Тепловые расчеты термической обработки .Л. :Су дпромгиз, 1953.

80. Физические свойства металлов и сплавов, применяемых в энергетике. Под ред. Ноймарк Б.Е. М.-Л.:Энергия,1967.

81. Комплексный контроль качества конструкционной стали. Под ред. Шульте Ю.А. Киев:Техника, 1986.

82. Либерман Л.Я. Пейсихис М.И. Справочник по свойствам сталей, применяемых в котлотурбостроении. М.:Машгиз,1958.

83. Ковалев А.Г. и др. Определение пределов длительной прочности и условного предела ползучести металла поковок роторов и дисков газовых турбин из стали 20ХЗМВФ\ЭИ415. Отчет ГОЛ.Л., 1976.

84. Свойства сталей и сплавов применяемых в котлотурбостроении. Под ред. Станюковича А.В.Л.: ЦКТИ, 1966.

85. Марочник сталей и сплавов. Под ред. Крянина И.Р. ЦНИИТМАШ.М.,1977.

86. Чижик Т.А., Веркина Л.И. Исследование длительной прочности и сопротивляемости ползучести роторов из стали 25Х1М1ФА\Р2МА\ после различных сроков эксплуатации. -Труды ЦКТИ,Л.,1983, вып204.

87. Ланин А.А. Оценка трещиностойкости сталей при закалке. Труды ЦКТИ, Л.,1983, вып204.

88. Лившиц Л.С. Металловедение для сварщиков. М.Машиностроение, 1979

89. Бридавский М.С., Земзин В.Н. Выбор режимов термической обработки сварных роторов. Труды ЦКТИ,Л.,1978, вып160.

90. Утевский Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении.М. .Металлургия,1973.

91. Кратович Л.Ф. Влияние коррозионной среды на циклическую прочность материалов рабочих колес компрессора К-270-61-1 и нагнетателя природного газа.-Отчет СПИМАШ, 1992.

92. Кратович Л.Ф.Метод оценки трещиностойкости при циклическом нагружении.-Заводская лаборатория, 1988, N4.-

93. Рис.П.1. Макроструктура диска 1 из безвольфрамовой стали ЭИ415М. Радиальный темплет.