Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ ДИАФРАГМ ПАРОВЫХ ТУРБИН
ИЗ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ 7
1.1. Материалы и способы изготовления диафрагм паровых турбин 7
1.2.Механизм проплавлення и образования дефектов при ЭЛС 134
1.3.Особенности формирования и эксплуатации сварных соединений разно родных материалов 17
1.3.1. Остаточные напряжения в сварных соединениях разнородных сталей 20
1.3.2. Химическая и структурная неоднородности в зоне сплавления разнородных сталей 22
1.3.3. Магнитные поля при электронно-лучевой сварке разнородных материалов 33
1.4.Цели и задачи исследований 43
ГЛАВА II ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ И РОСТА ДИФФУЗИОН НЫХ ПРОСЛОЕК В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ РАЗНОРОД НЫХ СТАЛЕЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ ЭЛС 45
.2.1 . Методика исследования структуры и свойств сварных соединений 45
2.2.Влияние режимов термической обработки и состава металла шва на раз
меры диффузионных прослоек в сварных соединениях разнородных сталей 51
2.3.Химическая неоднородность при ЭЛС разнородных сталей 63
2.4.Исследование влияния структурной неоднородности на свойства сварных соединений разнородных сталей 70
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ II 82
ГЛАВА III ВЛИЯНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ НА ИЗМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА В ПРОЦЕССЕ ЭЛС РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ 84
3 1. Термоэлектрические свойства конструкционных материалов 84
3.2.Термоэлектрические явления при ЭЛС разнородных сталей 100
3.3.Экспериментальные оценки магнитной индукции термоэлектрических
токов и её влияние на электронный пучок при ЭЛС 107
3.4.Влияние остаточной намагниченности на электронный пучок в процессе ЭЛС '. 117
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ III 122
ГЛАВА IV СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭЛС КОМБИНИРО ВАННЫХ ДИАФРАГМ ПАРОВЫХ ТУРБИН 123
4.1 .Общая технология изготовления диафрагмы 123
4.2,Разработка методики контроля остаточной намагниченности и технологических приёмов снижения её влияния на электронный пучок 126
.4.3.Коррекция положения пучка и регулирование степени проплавлення при ЭЛС разнородных сталей 141
4.4,Термическая обработка сварных соединений 141
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ ГУ 162
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 163
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 166
- Материалы и способы изготовления диафрагм паровых турбин
- Методика исследования структуры и свойств сварных соединений
- Термоэлектрические свойства конструкционных материалов
Введение к работе
В настоящее время в энергетическом оборудовании широко распространены сварные конструкции деталей и узлов из разнородных сталей. Сварные соединения разнородных сталей обладают рядом специфических особенностей. Характерной для них особенностью является развитая химическая, структурная и механическая неоднородность. При сварке между собой сталей разных структурных классов, обладающих различием коэффициентов температурного расширения, в изделии будут возникать поля собственных напряжений, которые не могут быть сняты термической обработкой. Указанные факторы могут оказывать заметное влияние на выбор материалов конструкции, технологию её изготовления и эксплуатационную надёжность.
Зачастую, в силу конструкционных и технологических особенностей изделий, получение сварных соединений традиционными способами становится затруднительным, что приводит к необходимости использования более перспективных способов сварки с применением концентрированных источников теплоты, основным из которых является электронный луч.
Целесообразность применения электронно-лучевой сварки для изготовления комбинированных конструкций во многом обусловлена надёжной вакуумной защитой металла шва от атмосферных газов, а также локальностью теплового воздействия, что приводит к снижению сварочных напряжений и деформаций.
Электронно-лучевая сварка сталей разных структурных классов сопряжена с целым рядом трудностей, связанных с особенностями формирования структуры сварных соединений, а также с возможным изменением параметров электронного пучка при сварке разнородных сталей. Наличие химической неоднородности при сварке сталей разных структурных классов приводит к образованию неоднородной структуры в зоне сварного соединения, а именно, к возникновению различного рода прослоек у линий сплавления, которые могут снижать качество изделий. Ещё одной особенностью ЭЛС разнородных материалов является возможное отклонение электронного пучка в процессе сварки от стыка и образование непроваров по глубине соединяемых деталей.
Особенности формировании и строения сварных соединений разнородных материалов, а также основные вопросы в области изучения процесса ЭЛС рассмотрены в работах В.Н. Земзина, В.Р. Рябова, Ю.Н. Готальского, И.А. Закса, Б.Е. Патона, Н.Н. Рыкалина, Н.А., Ольшанского, Г.И., И.В. Зуева, O.K. Назаренко, В.В. Башенко, Г.И. Лескова, А.Н. Башкатова и других.
Настоящая работа посвящена разработке технологии ЭЛС разнородных сталей перлитного и феррито-мартенситного классов применительно к производству комбинированных диафрагм паровых турбин.
В первой главе на основании изучения отечественных и зарубежных литературных источников проведён анализ способов изготовления комбини-рованных диафрагм паровых турбин и особенностей ЭЛС сталей разных структурных классов. Во второй главе исследованы особенности формирования диффузионных прослоек в сварных соединениях сталей перлитного и феррито-мартенситного классов в процессе выдержки при повышенных температурах. Рассмотрено влияние режимов термического старения и содержания карбидообразующих элементов в металле шва на интенсивность развития диффузионных прослоек. В третьей главе проанализированы основные источники магнитных полей при ЭЛС разнородных сталей. Исследованы термоэлектрические явления при сварке разнородных сталей, рассмотрена методика определения магнитной индукции поля термоэлектрических токов. Рассмотрены способы оценки термоэлектрических свойств сталей и предложена методика определения абсолютной термоэдс сталей перлитного, мар-тенситного и феррито-мартенситного класса по их химическому составу. В четвёртой главе рассмотрены вопросы технологии изготовления комбинированной диафрагмы паровой турбины. Приведена методика определения отклонения электронного пучка в магнитном поле остаточной намагниченности, даны рекомендации по подготовке изделия к ЭЛС, по размагничиванию и контролю уровня остаточной намагниченности деталей диафрагмы, а также выбору режимов термической обработки после сварки.
Объём диссертационной работы - 175 страниц машинописного текста, 16 таблиц, 91 рисунок, 9 страниц перечня использованной литературы из 95 пунктов. Основное содержание диссертации опубликовано в 11 печатных работах.
Научная новизна работы заключается в установлении зависимости термоэлектрических свойств сталей разных структурных классов от температуры, их химического и фазового состава: стали аустенитного и аустенито-ферритного классов имеют положительную термоэдс, а перлитного, аустени-то-мартенситного и феррито-мартенситного классов - отрицательную. Коме того, определены особенности формирования диффузионных прослоек в сварных соединениях сталей перлитного и феррито-мартенситного классов в зависимости от степени проплавлення кромок при ЭЛС. Установлены закономерности формирования диффузионных прослоек в сварных соединениях сталей перлитного и феррито-мартенситного классов в зависимости от степени проплавлення кромок при ЭЛС после выдержки при температурах 450-650 °С в течение 100ч: при степени проплавлення кромок, обеспечивающей содержание хрома в металле шва до 8% происходит последовательное образование двух ферритных прослоек у линий сплавления в менее легированной составляющей.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследования формирования диффузионных прослоек в сварных соединения разнородных сталей, выполненных ЭЛС.
2. Результаты исследования термоэлектрических свойств сталей различных структурных классов.
3. Методика контроля остаточной намагниченности и определения коррекции положения пучка в процессе ЭЛС комбинированных диафрагм паровых турбин с толщиной стыка 40-50 мм.
class1 ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ ДИАФРАГМ ПАРОВЫХ ТУРБИН
ИЗ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ class1
Материалы и способы изготовления диафрагм паровых турбин
Безаварийная работа современных мощных паровых турбин, установленных на тепловых и атомных электрических станциях, в огромной степени зависит как качества металла деталей и узлов, так и от технологии их изготовления.
Большинство деталей турбин изготавливают из сталей и чугунов, а относительно небольшую их часть- из сплавов на основе никеля и титана. Для основных деталей паровых турбин применяют стали перлитного, ферритно-го, мартенситного и аустенитного классов, в которых содержание углерода обычно не превышает 0,5% [1, 2].
Недостаток углеродистых сталей заключается в их склонности к коррозии во влажной среде и сильному окислению в паровой среде при низких температурах, а также их низкой прокаливаемости. Поэтому в паротурбино-строении широко используют хромомолибденовые стали перлитного класса 12ХМ и 20ХМ, а также хромомолибденованадиевые теплоустойчивые стали 20ХМФ и 15Х1М1Ф, предназначенные для работы при температурах до 540-570 С. Данные стали не склонны к механическому старению и тепловой хрупкости и обладают стабильными механическими свойствами после длительной выдержки при рабочей температуре.
Механические свойства отливок и поковок из этой стали в значительной степени зависят от равномерности и скорости охлаждения при нормализации. Для изготовления особо ответственных деталей, таких как корпуса цилиндров турбин, клапанов парораспределения и защиты, а также тел и ободьев диафрагм металл должен иметь низкое содержание вредных примесей, особенно серы, фосфора, алюминия и меди.
Рабочие и направляющие лопатки, работающие при температуре пара до 580 С, изготавливают из высокохромистых коррозионно-стойких сталей, при температуре 580-680 С - из аустенитных коррозионно-стойких хромо-никелевых сталей. Для лопаток, работающих при температурах выше 650-680 С или при более низких температурах, но при высоких нагрузках, применяют сплавы на никелевой основе. Однако высокохромистые стали являются наиболее технологичными и дешевыми из всей номенклатуры коррозионно-стойких сталей [1].
Высокохромистые стали с содержанием хрома 10-17% при закаливании имеют структуру мартенситного типа, Стали с небольшим содержанием углерода (08X13, 12X13) могут иметь некоторое количество структурно-свободного феррита, что отрицательно отражается на механических характеристиках. Поэтому к химическому составу сталей предъявляются очень строгие требования, особенно к углероду и хрому, а также к содержанию вредных примесей. Поэтому для изготовления лопаточного аппарата (рабочие и сопловые лопатки, бандажи) рекомендуется применять металл, полученный способом электрошлакового или вакуумно-дугового переплава (ЭШП, В ДІЇ).
Наилучшие механические характеристики имеют малоуглеродистые хромистые стали с содержанием О - 12,5 - 14,5%, Si не более 0,5%, Мп - 0,2-0,6%, Ni не более 0,6%, 5 не более 0,03%, Р не более 0,035%.
Сталь 12X13 обладает несколько меньшей прочностью при комнатной температуре, чем сталь 20X13, однако она имеет более высокие пределы длительной прочности и ползучести, чем сталь 20X13, Она значительно менее склонна к закалке на воздухе, не склонна, как правило, к тепловой хрупкости и хрупкости отпуска. Однако отпуск ее при температурах 450-550 С вызывает снижение ударной вязкости и понижение коррозионной стойкости. Сталь 12X13 не чувствительна к концентрации напряжений и обладает высокими демпфирующими свойствами [1,2].
Методика исследования структуры и свойств сварных соединений
При электронно-лучевой сварке разнородных сталей, как и при других методах сварки плавлением средний состав металла шва отличается от состава каждой из свариваемых сталей [6, 32, 42]. При этом у линии сплавления происходит образование химически и структурно неоднородных слоев металла, часто определяющих работоспособность комбинированных сварных конструкций. При использовании электронно-лучевой сварки формирование сварного соединения происходит, как правило, без введения присадочных материалов. В этом случае химический состав металла шва будет определяться долей расплавленного металла каждой из кромок соединяемых деталей в общем объеме сварочной ванны. Степень проплавлення кромок одной из сталей в этом случае определяется соотношением:
где F/, F2 - площади проплавлення в поперечном сечении каждой из свариваемых кромок соответственно.
Для оценки влияния химического состава металла шва, а также температуры и времени выдержки на степень развития структурной неоднородности в сварных соединениях разнородных сталей проводили исследования микроструктуры металла при различных значениях этих параметров.
2Л. Методика исследования структуры и свойств сварных соединений
Наиболее доступным методом оценки структуры конструкционных материалов является металлографический анализ [74]. Методы металлографического анализа в соответствии с уровнем разрешения можно разделить на три основных группы:
макроструктурный анализ; микроструктурный анализ; - анализ тонкой структуры с помощью электронной и рентгеновской микроскопии.
Под макроструктурой понимается строение металла, видимое невооружённым глазом или при небольшом увеличении до 50 раз. К микроструктуре относится строение металла, видимое под световым или электронным микроскопом. При использовании светового микроскопа разрешающая способность метода составляет около 0,2 мкм, а при использовании электронного -до 0,1-0,5 нм [74].
Для исследования структуры сварных соединений рассматриваемых разнородных сталей был изготовлен сварной образец из перлитной стали 12ХМ и высокохромистой феррито-мартенситной стали L2X13 (рис. 2.1). Сварку швов 1, 2, 3 и 4 проводили на электронно-лучевой установке с энергетическим комплексом Langepen. Режимы сварки выбирали из учёта получения одинаковой глубины проплавлення при различной степени фокусиров-ки пучка (табл. 2.1). Перед сваркой образец размагничивали в переменном магнитном поле для предотвращения отклонения электронного пучка в процессе сварки. Сварку проводили вертикальным пучком без сквозного проплавлення с переменным смещением оси пучка по длине свариваемого стыка.
Переменное смещение оси пучка обеспечило в каждом сечении шва различную степень проплавлення, а, следовательно, и различное содержание карбидообразугащих элементов (в данном случае хрома) в металле шва.
После сварки изготавливали отдельные образцы для исследования структуры металла сварных соединений в поперечных сечениях. Далее, путем шлифования на наждачной бумаге различной зернистости и полирования на сукне, получали макрошлифы, которые протравливали с целью выявления макроструктуры сварных соединений. Реактив для макроанализа состоял из Зг двойной медно-аммиачной соли соляной кислоты, 20 мл соляной кислоты и 15 г хлорного железа [75].
Термоэлектрические свойства конструкционных материалов
К термоэлектрическим явлениям относят эффекты возникновения в проводящих средах электродвижущих сил и электрических токов под воздействием тепловых потоков и эффекты возникновения дополнительной теплоты при протекании электрического тока [80, 81, 82].
В неоднородной изотропной среде термоэдс возникает в тех случаях, когда контур не является изотермическим, то есть при наличии градиента температуры вдоль контура (эффект Зеебека). Для такого контура, называемого обычно термопарой, выражение для термоэдс имеет вид
Таким образом, для определения величины термоэдс для заданной пары материалов необходимо знать абсолютные коэффициенты термоэдс каждого из материалов, которые являются физической характеристикой самих материалов.
Основной причиной возникновения термоэдс в металлах и сплавах при наличии в них градиента температуры является отклонение электронной системы от равновесия. Соответствующая термоэдс называется диффузионной, поскольку является результатом диффузии носителей тока в поле градиента температуры. Диффузионная термоэдс реального металла определяется механизмом или несколькими механизмами рассеяния носителей тока на фононах, дефектах решетки, примесных атомах, магнонах (в магнитоупорядочея-ных металлах), границах зерен (в чистых металлах при низких температурах) и т.д., а также электронным спектром, в частности геометрией поверхности Ферми и температурой [S3].
Выражение для определения диффузионной термоэдс с учетом различ-ных механизмов рассеяния, полученное на основе кинетического уравнения Больцмана имеет вид [83]
где е - заряд электрона; Т- абсолютная температура; є, т и v - энергия, время релаксации и групповая скорость носителей тока; Єр - энергия Ферми; N(s) -плотность состояний; о(є) - площадь изоэнергетической поверхности; кв -постоянная Больцмана; р - удельное электросопротивление.
Уравнение (3.4) справедливо для идеального металла или сплава с изотропным электронным спектром в случае упругого рассеяния электронов. В соответствии с этим уравнением диффузионная термоэдс должна быть линейной функцией температуры, что подтверждается экспериментальными данными для ряда металлов и сплавов при высоких температурах.
Диффузионная термоэдс доминирует в чистых металлах при температурах выше температуры Дебая. В сплавах при концентрации легирующих элементов от нескольких процентов и более она является основным механизмом термоэдс при всех температурах.
При низких температурах у ряда чистых металлов наблюдаются значительные отклонения температурной зависимости термоэдс от предсказанной уравнением (3.4). Эти зависимости имеют вид широких максимумов в области низких температур и объясняются эффектом фононного увлечения, Если электрон-фононное взаимодействие не является пренебрежимо малым, то будет происходить перенос импульса от упорядоченного потока фононов к электронной системе, т.е. появиться дополнительная движущая сила, создающая упорядоченное движение носителей тока и соответственно дополнительный вклад в термоэдс. Однако, любые источники рассеяния фононов -атомы примесей или легирующих элементов, а также дефекты кристаллической решетки приводят к снижению термоэдс фононного увлечения и при уже при комнатной температуре эта величина практически равна нулю. По-. этому при рассмотрении сложнолегированных сплавов при высоких темпера-турах вкладом фононного увлечения в общую термоэдс можно пренебречь.
Приведенное выше уравнение (3.4) относиться к простому случаю, когда вклад проводимости в металле осуществляется носителями одного типа. Между тем у ряда металлов в проводимости могут участвовать носители тока, принадлежащие нескольким зонам (например, электроны и дырки в переходных металлах) или несколько групп носителей тока, принадлежащих одной зоне, но соответствующие различным областям сильно анизотропной поверхности Ферми. В этом случае результирующая термоэдс определяется выражением [83]:
