重型燃气轮机用大型铸锻件 第2部分：高温合金模锻件 编制说明

1《重型燃气轮机用大型铸锻件第2部分：高温合金模锻件》编制说明1工作简况1.1任务来源本文件是根据国家标准化管理委员会国标委发〔2023〕37号《关于下达2023年第二批推荐性国家标准计划及相关标准外文版计划的通知》计划编号20230622-T-604，项目名称“重型燃气轮机用大型铸锻件第2部分：高温合金模锻件”进行制定，由中国机械工业联合会提出，全国大型铸锻件标准化技术委员会归口，主要起草单位：中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司、中国钢研科技集团有限公司、东方电气集团东方汽轮机有限公司、中国联合重型燃气轮机技术有限公司，项目周期18个月，计划应完成时间2024年12月。1.2主要工作过程起草阶段：起草单位在2023年8月28日接到标准制修订任务后，组织相关技术人员进行研究，明确了标准主要技术内容、进度安排及有关要求，并成立起草工作组，工作组广泛收集项目相关的国内外标准和技术资料，并进行了大量的技术分析对比、资料查证、调查研究等工作。在此基础上，于XXXX年XX月XX日提出标准初稿和编制说明。在起草单位内部对标准初稿进行了多次评审并根据内部评审意见修改和完善了标准的技术内容。起草单位于2024年3月23日将标准初稿和编制说明送标委会初步审核，根据初步审核建议对标准的格式和内容进行了规范。2024年8月3日形成标准征求意见稿及相关附件。征求意见阶段：标委会秘书处于XXXX年XX月XX日组织征求意见，送标委会委员以及有代表性的标准利益方广泛征求意见，本次征求意见于XXXX年XX月XX日截止。本文件发送“征求意见稿”的单位XX个；收到“征求意见稿”后，回函的单位XX个，收到“征求意见稿”后回函并有建议或意见的单位XX个；没有回函的单位XX个。XXXX年XX月XX日秘书处将意见汇总并反馈给起草单位。起草单位对各方面所提意见进行汇总、分析后（见征求意见汇总处理表对标准征求意见稿进行了补充、修改，于XXXX年XX月XX日提出标准送审稿及附件。审查阶段：标委会于XXXX年XX月XX日～XX日在XXXX组织召开了X项国家标准审查会，出席标准审查会委员X名，占全部应出席委员XX名的X％，符合程序要求。会上，标准的主要起草人对标准送审稿的条款及编制说明、征求意见处理情况进行了介绍。标委会委员和专家按照标准制订的原则，结合目前的科研、生产情况和市场需求，以严谨、科学的态度，对标准审查稿的技术指标、文字以及编制说明、意见处理情况等进行了全面认真的审议，对存在分歧的内容进行了充分讨论、认真推敲和反复斟酌，对一些具体的技术性问题提出了修改、补充、完善的意见和建议，最后代表们达成了一致意见，本文件通过报批阶段：标准起草工作组按照会议审查意见对标准送审稿作了进一步的修改、整理和完善，于XXXX年XX月XX日形成了标准报批稿及其附件，报到标委会秘书处。1.3主要参加单位和工作组成员及其所做的工作2主要参加单位：。主要成员：。所做的工作：。2标准编制原则和主要内容2.1编制原则本标准编制工作符合机械行业标准制定工作原则，按照GB/T1.1—2020给出的规则起草，技术要素符合我国机械工业大型铸锻件产品标准的要求。2.2标准主要内容本标准规定了重型燃气轮机用高温合金大型模锻件的订货要求、制造工艺、技术要求、检验规则和试验方法、验收和质量证明书及标志和包装等。主要技术指标包括3个材料牌号的化学成分、力学性能、高倍组织等，主要制定内容如下：2.2.1范围本文件适用于重型燃气轮机用高温合金大型模锻件的订货、制造和检验。2.2.2规范性引用文件本章列出了在标准中规范性引用的文件，未列出非规范性引用和编写时参考的文件。2.2.3订货要求本章规定了订货合同签订时，订货方需提供的订货信息及技术要求，主要是依据该重型燃气轮机用高温合金件的经营生产经验。2.2.4制造工艺本章设置的主要内容为重型燃气轮机用高温合金锻件制造过程中熔炼、锻造、热处理、机械加工、消缺与补焊等工序的制造方式和要求，规范了产品一般工序流程，推荐了热处理规范。2.2.5技术要求本章重点规定了产品化学成分、高低倍组织、力学性能和超声波检测等相关技术要求，对材料成分偏差执行的标准，避免产品在执行过程中无据可依的情况。2.2.6试验方法本章规定了检验的总体要求，主要有：化学成分、力学性能、高低倍组织、超声波检测、尺寸和外观等的检验方法、取样规则和相应的标准等。2.2.7检验规则本章规定了锻件组批原则、力学性能的复验规则、重新热处理及热处理后重新检验的规定、化学成分、高低倍组织、超声波检验或荧光检验和形状、尺寸或外观质量判定的规定等。2.2.8验收和质量证明书本章主要规定了产品制造商对交货产品的检验要求，及交货时的提供质量证明书应包括的软件资料2.2.9标识和包装本章主要供方交货产品应有的标识等内容、及其包装和发货的规范要求。2.3锻件标准对比32.3.1GH4169合金锻件标准对比目前，国内外燃机用GH4169合金锻件标准常采用的熔炼方法有真空感应熔炼+电渣重熔+真空电弧重熔（VIM+ESR+VAR）、真空感应加真空自耗重熔两联工艺（VIM+VAR）。随着国内航空发动机与燃机的发展，国内对于透平盘、涡轮盘及其它模锻盘锻件逐渐采用三联的熔炼方式（VIM+ESR+VAR）。然而国外，对于压气机盘及环锻件或者通过风险分析，两联的熔炼方式（VIM+VAR）也是允许的。鉴于国内外重型燃机盘锻件的现状，本预研标准中采用VIM+VAR或VIM+ESR+VAR，以便满足不同类型锻件对原材料质量和价格的要求。本预研标准的热处理制度详见表1。国外GH4169合金的固溶温度选择范围较宽（940～1010℃±14℃),本预研标准固溶温度选择950℃~980℃而未选择较宽的范围，主要有两面原因：一方面，参考航空用GH4169合金发动机盘锻件标准热处理制度；另一方面，GH4169合金在温度超过980℃,δ相会大量溶解，使得晶粒会迅速长大，同时δ相很少的情况下，会使得高温联合持久持续时间缩短，出现缺口敏感性。国内常采用热处理炉常为符合或优于GJB509Ⅲ类±10℃的设备，同时考虑到批产生产情况，本预研标准中将设备温度容差调整为±10℃。近年来航空发动机对残余应力要求逐渐凸显，使得固溶冷却方式出现了风冷、分区控制冷却等，因而本标准中冷却方式采用“空冷或以更快速率冷却”，以便实际生产中控制锻件残余应力或者调整力学性能提供可能性。国内外GH4169合金锻件时效热处理工艺基本一致，仅720℃至620℃的冷却速率、炉温均匀性略有差异，本预研标准GH4169合金时效工艺采用较窄的的炉温均匀性(±5℃),较宽的炉冷速率范围55±10）℃/h）。这是一方面是因为该情况符合国内设备的情况，另一方面，国内已有按此工艺生产的大量的燃机用GH4169合金盘锻件。表1预研标准GH4169合金锻件热处理制度固溶：950℃~980℃范围内选定温度下±lO℃,保温1h，空冷或以更快速本预研标准的化学成分如表2，与国外标准控制要求相当。表2预研标准GH4169合金锻件标准化学成分对比CPS~17.00~50.00~2.80~5.00~B0.75~0.30~ON4本预研标准力学性能控制要求见表3，控制水平与国外要求基本相当。实际生产中，燃机锻件硬度水平远大于331HBW，本预研标准中将GH4169合金锻件布氏硬度调整为≥346。与国外标准相比，本预研标准对持久性能增加了700℃、515h持久性能要求，这是由于燃机用GH4169合金盘锻件属于关重件、长时旋转件，且国内已有单位采用了此力学性能要求，同时生产的锻件能满足该要求。表3预研标准GH4169合金锻件力学性能℃RmRA%Z%J--℃hA%Z%GH4169锻件持久试样的缺口半径为0.2mm。持久试验允许采用光滑缺口组合试样，试样应断于光滑处，缺口试样试验时间应大于光滑试样断裂时间，可不拉断。持久时间到达48h后，允许每隔10h增加应力35MP国内外燃机用GH4169合金锻件标准对高倍组织的要求基本相当，即无Laves相，δ相应呈短棒状或球状均匀分布，晶粒度≥4级，但对个别粗晶的要求略有差异。本预研标准对个别粗晶粒要求略严，即“允许个别被细晶包围的3级晶粒”；本预研标准低倍组织要求与国外要求基本一致，即无冶金缺陷、无黑白斑等。虽然国内外对晶粒度的要求基本一致，但国内部分单位采用无损检测的要求来控制晶粒度水平，例如国内某燃机公司对透平盘采用了“密集显示直径≤0.5mm，单个显示直径≤1.0mm”的验收要求，这收等级相当于在AA级和AAA级要求之间。鉴于国内外燃机对GH4169合金超声波检测要求等级差别较大，在本预研标准中给出1～6级的验收要求，详见表7。国内变形金属超声检测标准为GJB1580A、HB/Z34、HB20159，除HB/Z34采用水浸法以外，三者检测要求基本一致，鉴于本预研标准属于国内标准，在此选择GJB1580A作为检测标准。表4预研标准超声波检测验收要求直径mm直径mm直径mm13233456a单个缺陷指示的幅度超过所要求等级的当量平底孔b任何两个缺陷指示幅度超过所要求等级的当量平底孔指示幅度，且间距小于25mm，为不符合要求.52.3.2GH4706合金锻件标准对比近年来，国内燃机部分企业逐渐采用GH4706合金生产涡轮盘锻件，最终客户往往是国外客户，国内目前暂无锻件标准。经过最近几年的摸索，国内逐步具有生产直径2200mm左右燃机用涡轮盘的能本预研标准熔炼方法为真空感应熔炼+电渣重熔+真空电弧重熔（VIM+ESR+VAR与国外采用的方法一致。本预研标准采用GH4706的热处理制度见表5。本预研标准中热处理制度固溶温度选择950℃~1010℃,这是由于工艺试验表明940℃固溶可能会使冲击与持久水平明显降低；鉴于工艺试验和残余应力控制，冷却方式采用“空冷或以更快速率冷却”，使得保证持久与强度的平衡成为可能；国内常采用热处理炉类型为GJB509Ⅲ类±10℃,同时考虑到批产生产情况，本标准中将设备温度容差调整为±10℃。时效第二阶段保温时间选择“8～36h”，主要考虑锻件性能匹配和给实际生产应用给出上限。表5预研标准GH4706合金锻件热处理制度固溶：950℃~1010℃范围内选定温度下±lO℃,保温不少于1h，缓冷、空冷或以更快速率冷本预研标准GH4706化学成分详见表6，控制范围与国外要求基本相当。表6预研标准GH4706合金锻件化学成分CPS15.5~2.80~0.03~13.0~-2.80~1.90~B1.50~0.10~ON--本标准中的力学性能指标与国外要求基本相当，增加了硬度的要求“HBW≥320”。本预研标准中热处理制度给出了较宽的保温温度、保温时间范围，通过调整热处理制度，使得综合力学性能相互匹配，满足盘锻件的要求。6表7预研标准GH4706合金锻件力学性能要求℃RmRA%Z%J ℃hA%Z%--GH4706采用光滑持久试样。GH4706锻件持久在试制期间或需方有本预研标准对GH4706合金锻件高倍低倍组织要求与国外要求基本相当，增加了“无Laves相”、晶粒“无条带组织”的要求。与2.3.1GH4169合金锻件类似，GH4706合金锻件检测标准选择GJB1580A。由于重型燃机厚度较大，且尺寸与形状差异较大，国内外常采用了纵波或横波检验。本预研标准为了满足不同锻件重量、尺寸超声波验收等级需求给出了1～6级的验收要求（详见本文表4同时，给出“横波检验具体要求应由供需双方协商确定”的要求，这是由于部分的厂商对GH4706合金盘件无横波要求。2.3.3GH4698合金锻件标准对比目前，国内燃机用GH4698合金锻件标准主要有Q/GYB667-2009；国外燃机用GH4698合金锻件标准主要来源于俄罗斯。本预研标准中GH4698合金熔炼方法均为真空感应熔炼+真空电弧重熔（VIM+VAR与国内外GH4698合金冶炼方法一致。本预研标准中热处理制度参考了标准Q/GYB667-2009的热处理制度，同时考虑了国内先进企业锻件生产状况和国外燃机用GH4698合金锻件推荐的热处理制度。具体见表8。表8预研标准GH4698合金锻件标准热处理制度本预研标准GH4698合金化学成分与国内外化学成分基本一致，详见表9。参考Q/GYB667-2009杂质元素Cu、Mg、Pb、Bi、Sn、Zr、Sb、As的控制要求，本预研标准增加了这些杂质元素的控制要求。7表9预研标准GH4698合金锻件标准化学成分CPS0.03~13.0~ 2.80~1.90~B2.35~1.45~---ON-≤------5注：GH4698化学成分Ce、Mg，Zr按计算量加入，可不分析，GH4698所差：C±0.01，Si+0.1，Al、Nb+0.1，Mo+标准Q/GYB667-2009中，内环力学性能指标报实测，外环力学性能指标作为验收。考虑到采用Ⅰ热处理制度的锻件实际室温拉伸性能均能达到要求（17炉，平均值为1265MPa且有较大的富裕量（44MPa～124MPa本预研标准室温拉伸性能要求设定为Rm≥1180MPa，Rp0.2≥735MPa，A≥14%，Z≥16%，KV2≥40J。对于热处理制度Ⅱ,统计了348件国内某航空发动机锻件理化检验情况，屈服强度平均值为762MPa，最小值为738MPa。鉴于国内GH4698合金锻件实际生产情况，本预研标准制定了热处理制度Ⅱ的力学性能要求（Rm≥1130MPa，Rp0.2≥705MPa，A≥17%，Z≥19%，KV2≥40J）。同时，国内燃汽轮机盘GH4698合金锻件标准Q/GYB667-2009对持久的要求与国外要求一致。故本预研标准采用了相同的高温持久试验条件。GH4698合金锻件力学性能要求具体见表10。表10预研标准GH4698合金锻件力学性能要求℃RmRA%Z%J℃hA%Z% --8Rp0.2和持久性能不合格时，允许进行700±10℃补充时效16h，空冷或750±10℃补充时效8h与2.3.1GH4169合金锻件类似，GH4698合金锻件检测标准选择GJB1580A。本预研标准给出了1~6等级的验收要求，以满足不同重量、尺寸、结构等锻件的需求。2.4解决的主要问题本文件确立了重型燃气轮机用高温合金锻件件的选材、订货、制造、检测方法、检验规则、验收交货等通用技术要求，实现了对重型燃气轮机高温合金锻件的选材、制造和检验等的统一规范，是对重型燃气轮机高温合金锻件件选材、制造和检验等的规范性指导。有利于解决多年来，由于我国重型燃气轮机主机厂引进技术路线各不相同，造成重型燃气轮机用铸钢件的制造、检验和验收等缺少统一规范的技术标准，进而阻碍行业发展和参与国际竞争的问题。本文件的制定，使我国在国重型燃气轮机高温合金锻件制造应用有了自主知识产权的技术标准，填补了我国重型燃气轮机铸钢件制造标准的空白，有利于提高我国重型燃气轮机高温合金锻件的产品质量，将推动我国重型燃气轮机高温合金锻件制造技术进步，提升我国重型燃气轮机铸钢件的国际竞争力，支撑我国重大装备走出去战略。3主要试验（或验证）情况本文件是标准制订项目，本文件涉及的重型燃气轮机高温合金锻件件，已应用于相关重型燃气轮机制造企业。在近年的制造与应用中，对文件涉及材料及其技术指标、检测方法、检验规则等进行了试验（或验证）了，技术成熟。本文件与试验（或验证）涉及的技术指标、检测方法、检验规则等不存在重大技术变化。本文件涉及的重型燃气轮机高温合金锻件件制造技术内容以我国企业的相应高温合金锻件件生产实践和经验为基础制定，符合我国特点，技术成熟、先进、可操作性好，已在部分主要企业有很好的技术积累。中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司、中国钢研科技集团有限公司、东方电气集团东方汽轮机有限公司、中国联合重型燃气轮机技术有限公司等长期以来一直致力于重型燃气轮机的国产化制造，立足于自主集成创新，并将创新成果工程化与产业化。本文件主要技术内容和技术指标设置先进、经济合理，与相关标准协调，可操作性好，表明本文件合理、有效、可行。4标准中涉及专利的情况本标准不涉及专利问题。5预期达到的社会效益、对产业发展的作用等情况5.1背景进碳达峰碳中和，充分体现我国的大国担当，“十四五”规划纲要提出推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的能源体系，我国将积极推进能源结构调整，高效、清洁、多元化、智能化是能源转型的主要特征。以重型燃气轮机为核心的联合循环发电技术，热效率可以达到60%以上，“十三五”末，我国燃气发电装机9972万千瓦，相比“十二五”末增加75随着“两机专项”工程的实施、分布式能源9的发展、电力系统灵活调节能力提升以及未来氢能源的利用等，重型燃气轮机的产业和市场规模将不断扩大。重型燃气轮机制造精密，关键零部件要求严苛，是体现一个国家科学研究水平和机械制造能力的尖端技术，被誉为“装备制造业皇冠上的明珠”。重型燃气轮机项目先后被列入“863计划”和“科技创新2030-重大项目”（“两机专项”）。重型燃气轮机主要结构包括压气机、燃烧室、燃气透平三大部分，包括了以大型锥形体、燃烧室壳体等铸件以及压气机轮盘、透平轮盘、拉杆、中间轴、扭力盘、前后轴头、拉杆螺母等锻件，由于重型燃机频繁启动、高温长寿命设计以及高精密制造要求，对重型燃机铸锻件的材料、大型铸锻件的综合性格提出了极高要求。我国的重型燃气轮机产业起步于20世纪50年代，2001年，国家发改委印发《燃气轮机产业发展和技术引进工作实施意见》，近20年来，我国重型燃气轮机技术引进与消化吸收，技术自主创新取得了重大突破。在重型燃气轮机用大型铸锻件材料方面，通过合作制造和自主开发，突破了国外的技术封锁，解决了“材料”卡脖子的技术难题，从锥形体、压气机轮盘、透平轮盘等锻件认证起步，目前已掌握了中国重燃、上海电气、东方电气等不同技术路线的材料和制造技术，国内已形成了材料、铸锻件、检测检验的技术和制造力量，具备了标准的研制条件。5.2目的和意义支撑我国燃气轮机装备产业有序发展，保障供应链自主可控。大型铸锻件是重型燃气轮机主要结构的核心零部件，对燃气轮机装备产业的发展起着关键核心作用。本次成体系的研制重型燃气轮机用大型铸锻件系列材料标准，有利于形成我国重型燃气轮机用大型铸锻件材料体系，培育增强重型燃气轮机材料配套能力，提升产业链材料供应保障能力。规范和引导设计选材和经营生产，提升燃气轮机用大型铸锻件技术质量水平。由于在重型燃气轮机装备行业形成了不同的技术路线，行业骨干企业在产业形成初期形成了各自的零件标准，各零件标准的来源也不尽相同，标准繁杂，造成不同机型、不同材料、不同设计的零件验收条件中部分技术指标各有不同，从而使得材料生产组织难度大、锻件验收复杂。标准研制有利于规范和统一选材和技术要求，指导重型燃气轮机设计制造和大型铸锻件材料制造，提升燃气轮机用大型铸锻件技术质量水平和竞争力。5.3标准对产业发展的作用能源安全问题是我国当前经济发展和实现碳中和目标过程中的重要课题，随着国家能源结构的调整及“双碳”战略的推进，能源正从粗放型利用向精细化发展，在“碳达峰”、“碳中和”背景下，发电必须不断向更清洁高效的技术