本發(fā)明涉及一種超超臨界低壓轉(zhuǎn)子的電熔成形方法。

背景技術(shù)：

超超臨界發(fā)電技術(shù)是解決目前我國電力短缺、能源利用率低和環(huán)境污染嚴重等問題的現(xiàn)實和有效的途徑。因此在十二五規(guī)劃中，被國家明確提出作為發(fā)展清潔煤發(fā)電技術(shù)的主要發(fā)展方向，國家主要重型鑄鍛企業(yè)如一重、二重等也對其核心部件高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子等積極開展材料構(gòu)件研發(fā)工作。

超超臨界低壓轉(zhuǎn)子所選材料為3.5%NiCrMoV，通過鑄鍛工藝而成。相比高中壓轉(zhuǎn)子的高溫高壓環(huán)境要求，低壓轉(zhuǎn)子制備難點主要在于需基于發(fā)電效率考量，因此所需轉(zhuǎn)子尺寸、噸位巨大，工作中也因此主要承受高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力，傳遞扭矩和自重產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力等，苛刻的工作環(huán)境對低壓轉(zhuǎn)子抗疲勞應(yīng)力等綜合力學(xué)性能和化學(xué)成分純凈度、偏析等方面均提出了極高的要求。

目前該轉(zhuǎn)子鋼材料制備主要通過鋼錠冶鑄并經(jīng)鍛造成形后再多次正火熱處理實現(xiàn)。囿于低壓轉(zhuǎn)子的尺寸噸位和我國鑄鍛工藝水平，在轉(zhuǎn)子鑄鍛和熱處理操作中很容易出現(xiàn)化學(xué)偏析、組織不均勻等情況，甚至產(chǎn)生裂紋；另一方面，通過傳統(tǒng)鑄鍛工藝研發(fā)低壓轉(zhuǎn)子鋼本身的流程復(fù)雜性(包括轉(zhuǎn)子鋼材料研發(fā),純凈鋼冶煉研發(fā),鍛造工藝研發(fā),熱處理工藝研發(fā)等等)也使得對穩(wěn)定度控制難度大，質(zhì)量水平差、報廢率高。目前我國對超超臨界低壓轉(zhuǎn)子材料還沒有成熟的工藝，無法實現(xiàn)穩(wěn)定批量的生產(chǎn)，所需轉(zhuǎn)子材料主要依靠從日本、德國等國家進口。導(dǎo)致價格居高不下，嚴重影響著項目建設(shè)進度，也制約我國重型裝備制造業(yè)的發(fā)展。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于，提供一種高效、低成本、具有良好力學(xué)性能的超超臨界低壓轉(zhuǎn)子電熔成形方法。

該方法采用電弧熱、電阻熱、電渣熱復(fù)合而成的高能熱源，熔化連續(xù)輸送的金屬原料絲材，在基材上逐層凝固堆積成形制造轉(zhuǎn)子構(gòu)件；

將電熔頭與基材接至電源兩極，成形時金屬原料絲材經(jīng)由輸送機構(gòu)和電熔頭送至基材表面，在顆粒狀輔料的堆積保護下，原料絲材與基材間產(chǎn)生電弧，熔化部分堆敷輔料形成熔融渣池，電流流過原料絲材和熔融輔料渣池形成電阻熱和電渣熱，在電弧熱、電阻熱、電渣熱三種熱復(fù)合高能熱源作用下使原料絲材熔化，在基材表面形成局部熔池，持續(xù)輸送原料絲材與輔料，根據(jù)成形構(gòu)件的分層切片數(shù)據(jù)，采用計算機控制電熔頭與基材的相對移動，實現(xiàn)熔池在基材上快速冷卻逐層凝固堆積，最終逐層堆積成形轉(zhuǎn)子構(gòu)件。

所述超超臨界低壓轉(zhuǎn)子的材料為3.5%NiCrMoV材料，電熔制備所用金屬原料絲材C含量0.20-0.30%，電熔制得的材料C含量0.10-0.18%，晶粒度7-10級。

本發(fā)明中，原料絲材按照轉(zhuǎn)子材料要求制備, 原料絲材直徑可以為2-5mm。

本發(fā)明中，根據(jù)原料絲材直徑不同，電源參數(shù)中的電流為200A～2000A，電壓為20V～50V，電源可以是直流或交流電源，在使用直流電源時，電熔頭可接正極或負極。

另外，根據(jù)成形工件要求，對基材或堆積金屬進行加熱或冷卻，控制基材或堆積金屬預(yù)熱與層間溫度為100~400℃，電熔頭與基材的相對移動速度為300～800mm/min，實現(xiàn)熔池的快速凝固和定向凝固，從而獲得晶粒細密、無宏觀偏析、組織均勻的材料，極大的改善成形工件的塑性、韌性和應(yīng)力疲勞等力學(xué)性能。

在本發(fā)明中，在逐層成形的過程中，原料絲在下層金屬表面形成熔池，熔滴以射流形態(tài)進入熔池后凝固使兩層金屬形成一體，實現(xiàn)分層成形，整體融合，保證了成形轉(zhuǎn)子的整體性能。

本發(fā)明中，可以根據(jù)轉(zhuǎn)子鋼尺寸和效率要求，電熔頭的數(shù)量設(shè)定為1～100個，多電熔頭排布時，相鄰電熔頭間距為50～500mm。

本發(fā)明中，所述基材可以為鋼管或鋼棒，外徑100-300mm，基材長度與轉(zhuǎn)子長度一致，用于為轉(zhuǎn)子工件提供工裝支撐，并在工件成形后機加工去除，基材為鋼管時，管壁壁厚不小于10mm。

本發(fā)明擺脫了復(fù)雜的工裝、模具和專用工具的約束；成形即為近凈形坯件，生產(chǎn)后只需少量精加工，大大簡化加工工序，縮短產(chǎn)品周期,大大提高了效率,節(jié)省了成本；所成形轉(zhuǎn)子具有媲美傳統(tǒng)鍛造工藝的力學(xué)和化學(xué)性能，強度、韌性、耐蝕等性能均十分突出。

附圖說明

圖1A為用于說明具體實施方式中的電熔成形方法的原理圖；

圖1B為圖1A中A處的局部放大圖；

圖2為用于說明實施例中的超超臨界低壓轉(zhuǎn)子電熔成形方法的示意圖。

具體實施方式

下面參照附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行說明。圖1A為用于說明具體實施方式中的電熔成形方法的原理圖；圖1B為圖1A中A處的局部放大圖。由于是原理圖，因而，圖中部件是示意性的，其實際形狀與尺寸關(guān)系不受圖中所示限制。

該成形方法是將原料絲材1熔化而逐層（圖1B中所示為堆積至第N層時的狀態(tài)）堆積在基礎(chǔ)材2上，從而最終形成所需的金屬構(gòu)件。

具體實施工序為：

A．送絲機構(gòu)5將原料絲材1送至放置于工作臺21上的基材2的表面，其上覆蓋由送粉機構(gòu)4輸送的顆粒狀輔料。

B．啟動電源12，電源電壓使原料絲材1與基材2間形成電弧9產(chǎn)生電弧熱，電弧熱使部分輔料3熔融，形成輔料渣池8，電流經(jīng)由電熔頭6流過原料絲材1形成電阻熱，并通過熔融渣池8形成電渣熱，三種熱源復(fù)合而成高能熱源，熔化原料絲材，在基材2表面形成熔池11。

C. 控制電熔頭6與基材2的相對移動和基材2的溫度，實現(xiàn)熔池11與基材換熱凝固沉積。

D．送絲機構(gòu)5與送粉機構(gòu)4持續(xù)輸送原料絲材1和輔料3，在輔料3覆蓋熔池11和基材2的狀態(tài)下，原料絲材1逐層堆積在基材2上，最終成形工件。

其中，控制裝置（計算機）根據(jù)成形構(gòu)件的（數(shù)值模擬、數(shù)學(xué)模型）分層切片數(shù)據(jù)控制電熔頭6與基材2的相對移動方式。

在本發(fā)明圖示中電熔頭電極接正，工件接負只作示意作用，也可以電熔頭接負，工件接正，或采取交流電源。

在本發(fā)明中，原料絲1的形態(tài)可以是圓棒狀、帶狀，實芯或者藥芯的；原料絲1的直徑可以根據(jù)成形工件的尺寸設(shè)定為2~5mm；根據(jù)絲材1直徑不同，伸出電熔頭的長度（通電長度）為20mm～150mm。

在本發(fā)明中，輔料3覆蓋厚度為15mm～120mm，使用輔料3的作用包括：覆蓋電弧9，防止電弧飛濺；覆蓋熔池11，隔絕空氣，使熔池金屬免受空氣中氧、氮、氫等的侵害；對熔池金屬形成保溫；冶金反應(yīng)過程中去除雜質(zhì)、摻入合金；形成的渣池8（渣殼7）以機械方式保護沉積金屬10良好成形等。

輔料3的成分包含氧化物或者氧化物與鹵化物，由于輔料3參與熔池反應(yīng)，調(diào)整工件（金屬構(gòu)件、產(chǎn)品）成分，因而根據(jù)所要形成的金屬構(gòu)件的成分和效率要求，可以在輔料中添加合金粉末以及/或者單質(zhì)金屬粉末，降低生產(chǎn)成本。

另外，在C工序中，可以附帶回收殘余輔料以及去除渣池8凝固而形成的渣殼7的操作。去除時，可以在原料絲1的相對移動后方400mm~500mm處開始機器去除或人工去除作業(yè)。

基材可以為鋼管或鋼棒，外徑100-300mm，基材長度與轉(zhuǎn)子長度一致，用于為轉(zhuǎn)子工件提供工裝支撐，并在工件成形后機加工去除，基材為鋼管時，管壁壁厚不小于10mm。

采用本實施方式的電熔成形方法，原料絲利用率接近100%；相比現(xiàn)有的加工技術(shù)（鍛造、鑄造等），制造工序少（不需要復(fù)雜的熱處理），周期短，效率高，金屬構(gòu)件的機械加工余量非常小，同時減少了精加工時間及節(jié)約了大量的材料。

在本發(fā)明中，為了保證形成良好的高能熱源，尤其是為了產(chǎn)生充分的電渣熱，可以適當?shù)卣{(diào)節(jié)輔料的成分、原料絲材的直徑、電流、基材與原料絲材的相對移動速度等參數(shù)。

【實施例】

本實例描述通過臥式電熔成形方法制作超超臨界低壓轉(zhuǎn)子，本實例中的超超臨界低壓轉(zhuǎn)子的長度為8100mm，最大外徑為1920mm。其材料為3.5%NiCrMoV材料，電熔制備所用金屬原料絲材C含量0.20-0.30%，基材選用42CrMo棒材，所使用的設(shè)備包括：

（1）回轉(zhuǎn)支撐臺；

（2）電熔電源；

（3）電熔頭；

（4）自動送絲裝置；

（5）輔料自動輸送與輔料自動回收裝置；

（6）加熱裝置；

（7）冷卻裝置；

（8）基材；

（9）控制裝置。

圖2為用于表示本實施例的電熔成形方法的示意性說明圖，圖中省略了電源、自動送絲裝置等裝置。材料電源參數(shù)如下：

1）選用原料絲材101、直徑3mm，C含量0.20-0.30%，其它元素依據(jù)3.5%NiCrMoV要求；

2）多（24）個電熔頭601；

3）電熔電源為直流電源，采用電熔頭601接電源正極，基材201接電源負極（能夠大大提高成形效率）；

4）電熔工藝參數(shù)為：電熔電流600A，電熔電壓30V，電熔頭601與基材201相對移動速度400～500mm/min；

5）基材201為42CrMo棒材，直徑200mm，長9.5米。

采用金屬構(gòu)件電熔成形方法制作構(gòu)件，其實施步驟如下：

（1）將基材201的軸線水平配置，并支撐在支撐滾輪架401上，先將24個電熔頭601以規(guī)定的間距（通過中央控制裝置精確定位和排布）橫向布置在基材201的上方，且調(diào)整好每個電熔頭601與基材201表面（外周面）的距離，并選取電熔的起點；

（2）將原料絲材101與輔料301送至基材201表面，啟動電源，導(dǎo)入高能熱源，熔化原料絲材101及輔料301，同時轉(zhuǎn)動基材201，開始每個電熔頭601第一層第一道（每一層由軸向排列的多道構(gòu)成）的電熔沉積；

（3）當電熔頭601與電熔起點之間形成一段距離后，開始啟動輔料301回收裝置將其未熔化的輔料301收回，露出渣殼并將其清除，以便于下一道的電熔沉積（堆積）；隨后啟動冷卻裝置或加熱裝置對電熔沉積金屬進行冷卻或加熱，將其基體（第一層時是指基材201，其他層時是指前一層堆積金屬）的溫度控制在200～300℃；

（4）當基材201轉(zhuǎn)動一圈完成第一道電熔沉積時，在控制裝置的控制下，所有電熔頭601同時往左直線移動3/4熔道寬度距離，同時調(diào)整各電熔頭601與基材201的表面之間的距離，以保證電熔的穩(wěn)定性，之后開始第一層第二道的電熔沉積成形，此過程中要保證其左右圈道間搭接良好；

（5）當?shù)诙劳瓿珊?，重?fù)步驟（4）再完成其它的電熔沉積道的成形，當達到最后一道時，（對于同一臺階的電熔頭而言）其相鄰電熔頭601的最后一道結(jié)束點與第一道起點要搭接良好，以至完成第一層的電熔沉積；在此過程中，在中央控制裝置的控制下，先完成一層堆積的電熔頭601停止在左右方向移動，等待其他電熔頭601完成一層堆積（在其他層的堆積時也是如此）。

（6）當完成第一層的電熔沉積后，所有電熔頭601自動提升一層沉積厚度（即層厚）之高度，第一層電熔頭601的結(jié)束點即為第二層第一道的開始點，重復(fù)（1）-（4）的操作完成第二層的堆積；

（7）重復(fù)（6）的操作沿CAD切片軌跡完成需要層數(shù)堆積，使工件初步成為一個軸體；

（8）對圖示工件形狀（軸體上的突起），中央控制裝置按照CAD切片軌跡，確定后續(xù)參與堆積電熔頭，并控制各電熔頭601重新排布和定位；

（9）按照轉(zhuǎn)子構(gòu)件的CAD切片軌跡操作,并適時控制特定電熔頭工作與停止,對工作電熔頭按照（1）至步驟（7），完成其它電熔沉積層，最終連續(xù)電熔沉積形成整個轉(zhuǎn)子鋼構(gòu)件。

電熔成形后，機加工去除基材201即獲得所需低壓轉(zhuǎn)子（毛坯）。

采用本實施例，電熔制得的材料C含量0.10-0.18%，晶粒度7-10級。

采用本實施例，由于是24個電熔頭601并排排布成形，因而，能夠提高成形效率。