汽轮机喷嘴组用马氏体不锈钢渗硼处理和性能热处理工艺

摘要

本发明涉及汽轮机喷嘴组用马氏体不锈钢渗硼处理和性能热处理工艺。一种汽轮机喷嘴组用马氏体不锈钢渗硼处理工艺，按下列步骤进行：(1)将叶片汽道中填充固体颗粒状渗硼剂的被处理喷嘴组工件送入炉子内，加热至700℃；(2)再以每小时100℃的速度将炉温加热至950～1050℃，保温5～12小时；(3)然后以50～100℃速度缓慢冷却，至300～400℃时出炉；(4)在空气中冷却至室温。在渗硼处理工艺后，再进行材料回火热处理。本发明采用将两种工艺合并一次处理的方法，简化了处理工艺，渗硼层硬度达HV1000～2000，渗硼处理和性能热处理效果好，处理工艺简化，成本降低。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及汽轮机喷嘴组用马氏体不锈钢渗硼处理和性能热处理工艺。

(二)背景技术

随着大型超临界发电技术的发展，进入汽轮机喷嘴组的蒸汽压力和温度大幅度提高，蒸汽中的氧化物颗粒大大增加，加速了喷嘴组汽道的冲蚀磨损，使汽轮机的热效率下降，喷嘴组的寿命缩短，机组的维修费用增加。为有效防止喷嘴组汽道表面的固体粒子冲蚀，大功率、高参数汽轮机喷嘴组叶片表面应进行渗硼热处理，以提高喷嘴组叶片表面抵抗蒸汽管道中固体颗粒的冲蚀。如：600MW超临界汽轮机设计采用喷嘴汽道表面渗硼强化处理技术，使渗硼后在基体表面形成坚硬的(FeB·Fe₂B)化合物，以提高抗固体粒子冲蚀的性能，延长喷嘴组的寿命，保证机组长期运行后的热效率不因喷嘴组的磨损而下降。

渗硼是使硼元素扩散渗入金属表面，并在金属表面形成高硬度的铁硼化合物层的方法。它可使渗硼层具有高的硬度、耐磨性、红硬性、良好的抗高温氧化性能和抗固体粒子冲蚀的性能。低合金钢的渗硼是一种成熟的技术，广泛的应用于工业生产中，但汽轮机高温喷嘴组所用材料为高合金成分的、在高温下具有较高热强性能的马氏体不锈钢，材料中含有多种阻碍渗硼的合金元素，因此在通常的渗硼条件下，硼原子将很难渗入材料中实现渗硼；此外，该类马氏体不锈钢性能热处理调质温度也远高于一般合金钢的渗硼温度，性能热处理和渗硼处理会相互产生不利影响；这些都使得实现超临界或超超临界汽轮机喷嘴组汽道材料表面的渗硼强化存在较多技术难点。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种汽轮机喷嘴组用马氏体不锈钢渗硼处理和性能热处理工艺，该处理工艺采用将两种工艺合并一次处理的方法，简化了处理工艺，渗硼层硬度达HV1000～2000，渗硼处理和性能热处理效果好。

本发明是这样实现的：一种汽轮机喷嘴组用马氏体不锈钢渗硼处理工艺，按下列步骤进行：

(1)将叶片汽道中填充固体颗粒状渗硼剂的被处理喷嘴组工件送入炉子内，加热至700℃；

(2)再以每小时100℃的速度将炉温加热至950～1050℃，保温5～12小时；

(3)然后以50～100℃速度缓慢冷却，至300～400℃时出炉；

(4)在空气中冷却至室温。

一种汽轮机喷嘴组用马氏体不锈钢性能热处理工艺，是在渗硼处理工艺后，再进行材料回火热处理，其步骤是：

(1)被处理工件在渗硼处理冷却至室温后的8小时之内，再进入炉内加热至670℃±10℃；

(2)在670℃±10°下保温时间大于4小时，小于8小时；

(3)再空冷至室温。

本发明采用对喷嘴组叶片表面汽道渗硼与喷嘴组本体材料基体调质热处理合并一次处理的工艺方法，既解决了分别处理互相影响的问题，也简化了处理工艺，取得了事半功倍的效果。对喷嘴组渗硼采取高温固体渗硼方式，使经过渗硼过程能在基体表面形成坚硬的FeB·Fe₂B化合物，渗硼层硬度达HV_100g：1000～2000。采用只对喷嘴组叶片表面汽道的局部渗硼工艺，使得渗硼处理后的未渗部位的加工采用常规方法即可。本发明克服了马氏体高温合金难以渗硼的技术难点。

(四)附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明汽轮机喷嘴组用马氏体不锈钢渗硼处理工艺示意图；

图2为汽轮机喷嘴组用马氏体不锈钢性能(回火)热处理工艺示意图。

(五)具体实施方式

本发明采用对喷嘴汽道表面渗硼与喷嘴本体材料基体调质热处理合并一次处理的工艺方法。

参见图1，一种汽轮机喷嘴组用马氏体不锈钢渗硼处理工艺，按下列步骤进行：

(1)将叶片汽道中填充固体颗粒状渗硼剂的被处理喷嘴组工件送入炉子内，加热至700℃；

(2)再以每小时100℃的速度将炉温加热至950～1050℃，保温5～12小时。由于该温度区间处于喷嘴本体材料基体调质热处理温度区间，且在该温度区间，硼可渗入喷嘴本体材料基体内，故可同时满足喷嘴组叶片汽道渗硼和材料本体性能对处理温度的要求；

(3)然后以50～100℃速度缓慢冷却，至300～400℃时出炉；

(4)在空气中冷却至室温。渗后采用较低的冷却速度使被渗喷嘴工件不致产生变形，并保证材料基体组织性能要求。

渗硼时采用固体颗粒状渗硼剂填充于喷嘴组叶片表面汽道中，以保证汽道叶片表面具有较高硼势，满足渗硼要求。而其它部位不渗或少渗硼，便于以后加工。

参见图2，在渗硼处理工艺后，再进行材料回火热处理，其步骤是：

(1)被处理工件在渗硼处理冷却至室温后的8小时之内，再进入炉内加热至670℃±10℃；

(2)在670℃±10°下保温时间大于4小时，小于8小时；

(3)再空冷至室温。

经过上述步骤后完成了对汽轮机喷嘴组用马氏体不锈钢渗硼处理工艺和调质热处理工艺。

实施例

表1为汽轮机喷嘴组用马氏体不锈钢渗硼处理工艺和调质(回火)热处理工艺的实施例试验数据。

表1

  实  施  例                                   渗硼工艺  调质工艺  入炉  温度  加热速度  保温温度时间  降温速度  出炉  温度  回火保温温度  时间  1  700℃  100℃/h  950℃×12h  100℃/h  300℃  670℃×6～8h  2  700℃  100℃/h  1000℃×10h  50℃/h  350℃  670℃×6～8h  3  700℃  100℃/h  1050℃×5h  80℃/h  400℃  670℃×6～8h  4  700℃  100℃/h  980℃×12h  80℃/h  400℃  670℃×6～8h

表2为实施例渗硼层检测和基体材料检测数据。

表2

  实  施  例  渗硼层检测                 基体材料检测  渗硼层深度  mm  渗硼层最大  硬度HV_100g  σ_0.2  (Mpa)  σ_b  (Mpa)  δ₄  (％)  ψ  (％)  HB  1  0.08  1561  774  966  16.2  38.2  288  2  0.14  1818  811  992  19.0  50.7  304  3  0.13  1885  860  1020  17.6  53.3  311  4  0.10  1651  791  946  16.0  44.0  290

经对实施例的检测数据分析后，可以得到：汽轮机喷嘴组用马氏体不锈钢经渗硼处理工艺后，其渗硼深度达到0.08～0.14mm，渗硼层硬度为HV_100g：1500～1900，渗硼层组织为FeB·Fe₂B化合物。同时喷嘴组材料基体组织的性能(硬度、强度、塑性、组织等)均处于原调质处理性能要求范围内。从而使汽轮机喷嘴组叶片汽道达到了渗硼要求，喷嘴组的基体材料也达到了调质处理要求，其处理工艺简化，成本降低。