煙氣輪機(jī)渦輪盤和葉片用WASPALOY合金研究

周井華

摘要：本研究針對(duì)煙氣輪機(jī)渦輪盤和葉片用WASPALOY合金進(jìn)行研究的合金的成分、合金的理化特性、冶煉以及加工等方面進(jìn)行對(duì)此合金材料的闡述，擬通過對(duì)合金的特性進(jìn)行全面的分析，最終提出相應(yīng)的改進(jìn)意見，為煙氣輪機(jī)渦輪盤和葉片用WASPALOY合金的研究技術(shù)有一些指導(dǎo)建議，為其發(fā)展提供一些幫助。

關(guān)鍵詞：煙氣輪機(jī)；渦輪盤；葉片

研究背景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，在這樣的大背景下，工業(yè)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，人們的生活質(zhì)量也在不斷地提高，節(jié)能環(huán)保的呼聲也在逐漸的升高。目前石油系統(tǒng)對(duì)都將裂化過程中產(chǎn)生的熱量利用煙氣膨脹裝置發(fā)電，從而做到再利用，最終做到了適應(yīng)環(huán)保安全同時(shí)也提高了石油系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。煙氣輪機(jī)是一般大多數(shù)煉油工廠利用裂解而產(chǎn)生預(yù)熱來發(fā)電的重要裝置。然而煙氣輪機(jī)中的渦輪盤以及葉品是整個(gè)煙氣輪機(jī)系統(tǒng)的核心部件。煉油過程中催化裂化裝置產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈼l件非常惡劣，工作環(huán)境往往是非常的高溫環(huán)境，這樣就會(huì)加速煙氣輪機(jī)的內(nèi)部構(gòu)件老化，因此煉油廠對(duì)于煙氣輪機(jī)的要求就要相對(duì)較其他機(jī)器高。同時(shí)煉油廠產(chǎn)生的煙氣中常常含有大量的S、C等元素，在高溫條件下與水和氧氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，很容易產(chǎn)生SO2、SO3、H2S、CO等有害氣體，這些具有腐蝕性的氣體在煙氣輪機(jī)中高速流動(dòng)，產(chǎn)生了強(qiáng)腐蝕性，會(huì)對(duì)煙氣輪機(jī)造成損害，降低其使用壽命[1]。一旦煙氣輪機(jī)出現(xiàn)問題，后果將不堪設(shè)想。因此，在對(duì)煙氣輪機(jī)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)煙氣輪機(jī)的渦輪盤以及葉片的設(shè)計(jì)就成了非常重要的關(guān)鍵技術(shù)。WASPALOY目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用帶了煙氣輪機(jī)的渦輪盤以及渦輪葉片的制備中來，并且經(jīng)過長(zhǎng)期的時(shí)間驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)WASPALOY材料的渦輪盤以及葉片是非?？煽俊⒎浅０踩?。

1.WASPALOY合金的合金元素作用以及合金的化學(xué)成分

國(guó)際上標(biāo)準(zhǔn)的WASPALOY合計(jì)的化學(xué)成分主要包含了C、P、Co、Al、Fe、Mn、S、Mo、B、Cu、Si、Cr、Ti、Zr、Ni，其中Ni作為基體占據(jù)了合金的50%含量，其次為Cr占據(jù)了20%，Co排列在第三位，占據(jù)了15%左右，其余的元素均呈現(xiàn)出微量的存在。目前隨著合金技術(shù)的不斷創(chuàng)新以及發(fā)展，尤其是在WASPALOY的出現(xiàn)，目前WASPALOY合金技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了一定領(lǐng)域，目前的合金成分也發(fā)生了巨大的變化，由于不同的冶煉方式所需要的合金含量成分也是不一致的，最終導(dǎo)致了WASPALOY合金技術(shù)已經(jīng)更加的完善，更加的耐高溫[2]。

2.WASPALOY合金中的平衡析出規(guī)律以及合金中的析出相

WASPALOY合金中的化學(xué)成分對(duì)于合金平衡相規(guī)律的影響主要體現(xiàn)在了從熱學(xué)的角度上來說，可以計(jì)算材料中的Gibbis的最小自由能從而來得到材料中的可能的析出平衡相，同時(shí)通過Thermo-Calc軟件還可以計(jì)算出各個(gè)析出相相對(duì)應(yīng)的析出規(guī)律。本研究經(jīng)過Thermo-Calc軟件依據(jù)基體Ni元素的數(shù)據(jù)庫(kù)最終對(duì)合金中其他元素進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算，最終的結(jié)果顯示，合金中的典型化學(xué)成分與傳統(tǒng)的WASPALOY化學(xué)成分結(jié)果并不是一致的，本研究的計(jì)算結(jié)果為（wt%）：1Fe，1.5Al，4Mo，19.2Cr，3.9Ti，0.23C，作為基質(zhì)Ni的含量占據(jù)了主導(dǎo)地位。最終本研究通過各個(gè)元素的含量通過熱力學(xué)平衡相相關(guān)公式計(jì)算，最終結(jié)果得出了WASPALOY合金中各個(gè)元素各相析出量與材料本身溫度的非線性關(guān)系。

合金在經(jīng)過高溫如處理過后，面心的立體結(jié)構(gòu)就變成了合計(jì)的Ni元素，由于經(jīng)過高溫處理后，WASPALOY合金中的大多數(shù)元素均變成了固溶體狀態(tài)，因此就可以根據(jù)固溶體狀態(tài)中的元素的含量以及種類的不同計(jì)算出合金的點(diǎn)陣常數(shù)，本研究結(jié)果經(jīng)過相應(yīng)的計(jì)算得出了合金的點(diǎn)陣常數(shù)在0.371～0.411nm的范圍之內(nèi)。由于溫度的不同，因此各個(gè)元素的r相內(nèi)相應(yīng)的溶解度也是不一樣的，此外溶解度的變化同時(shí)還會(huì)相應(yīng)的析出相與碳化物發(fā)生反應(yīng)。因此為了可以更好地提高WASPALOY合金材料的耐高溫強(qiáng)度，在制造合金的過程中應(yīng)該首先考慮最大限度的提高M(jìn)o相關(guān)的難容元素在g相中的比例，最終可以最大限度的提升WASPALOY合金材料的耐高溫程度，此外，為了保證合金材料中的個(gè)元素之間的平衡，在最大限度的增加Mo元素的含量過程中同時(shí)還要考慮相應(yīng)的降低g相中的Cr含量。最終是合金材料保持一個(gè)平衡的狀態(tài)。

3.WASPALOY合金材料的冶煉方式

自50年代的初期，WASPALOY合金被研制出來之后，由于技術(shù)剛剛被研發(fā)，而且相應(yīng)的技術(shù)還不夠成熟，起初的冶煉過程是在外界進(jìn)行的，最終生產(chǎn)出來的WASPALOY合金材料的耐高溫程度以及相應(yīng)的性能均無法與現(xiàn)今的合金材料相比擬。隨著WASPALOY合金技術(shù)的不斷更新發(fā)展，目前的WASPALOY合金冶煉的場(chǎng)所已經(jīng)從原來的大氣中冶煉方式轉(zhuǎn)移到了真空自耗重熔配合真空感應(yīng)的加工方法，這種方法對(duì)于合金的耐高溫性起到了大大提高的作用，致使目前依然又被WASPALOY制造技術(shù)所采用[3]。這種技術(shù)完美的解決了材料在冶煉的過程中出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象以及材料中一些難容的元素的問題。

4.結(jié)論與討論

自從WASPALOY合金材料出現(xiàn)到目前為止已經(jīng)有半個(gè)世紀(jì)之久，由于WASPALOY合金材料的特殊性，目前已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到了煙氣輪機(jī)渦輪盤和葉片的制備過程中來，并且已經(jīng)取得了非常好的效果，收到了社會(huì)各界的高度認(rèn)可以及高度評(píng)價(jià)。但是，隨著我國(guó)煉油技術(shù)的不斷創(chuàng)新、不斷發(fā)展，對(duì)于煙氣輪機(jī)渦輪盤和葉片的制備材料的要求也在不斷地增加，因此為何得到更好的發(fā)展WASPALOY合金技術(shù)也同時(shí)需要不斷地變革，目前的合金制造的變革主要集中在工藝上的發(fā)展，目的是使合金材料得到不斷地純化?？偠灾?，目前的WASPALOY合金材料正在不斷地發(fā)展改進(jìn)從而適應(yīng)社會(huì)的需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 郝傳龍， 董建新， 張麥倉(cāng)， 等. 某煙氣輪機(jī)動(dòng)葉片榫齒斷裂原因分析[J]. 失效分析與預(yù)防， 2006， 1（4）： 34-37.

[2] 洪成淼， 董建新， 張麥倉(cāng)， 等. GH4738 合金煙氣輪機(jī)渦輪盤組織和力學(xué)性能研究[J]. 動(dòng)力與能源用高溫結(jié)構(gòu)材料——第十一屆中國(guó)高溫合金年會(huì)論文集， 2007.

[3趙雙群， 謝錫善. WASPALOY 合金長(zhǎng)期時(shí)效過程中的組織演變和性能變化[J]. 機(jī)械工程材料， 2006， 30（10）： 62-64.]