高溫合金材料在汽輪機(jī)高溫部件上的應(yīng)用

彭建強(qiáng)

(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱，150046)

高溫合金材料在汽輪機(jī)高溫部件上的應(yīng)用

彭建強(qiáng)

(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱，150046)

文章分析了汽輪機(jī)高溫部件用高溫合金材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、物理性能，討論了合金的應(yīng)用情況，并給出了應(yīng)用建議。

汽輪機(jī)，高溫部件，高溫合金，力學(xué)性能

Abstract:This paper analyzes the chemical composition,mechanical properties,physical properties of superalloy materials used for the high-temperature components of steam turbines,and discusses the application of these materials,and gives suggestions for usage of these materials.

Key words:steam turbine,high temperature components,superalloy,mechanical properties

1 前言

高溫合金材料具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、抗氧化腐蝕性能等，廣泛用于燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件。隨著汽輪機(jī)蒸汽參數(shù)的不斷提高，高溫合金材料在汽輪機(jī)高溫部件上的應(yīng)用也越來越廣泛。高溫合金材料在汽輪機(jī)上的應(yīng)用最早可以追溯到1960年美國投產(chǎn)的Eddystone1機(jī)組，其蒸汽參數(shù)為650℃/566℃/566℃/34 MPa，其高溫部件選擇了大量奧氏體鋼和高溫合金，比如轉(zhuǎn)子采用鍛造Fe基高溫合金 Discalloy合金 （Fe-25Ni-13.5Cr-Mo，Ti）， 葉片采用 Ni基高溫合金 K42B（Ni-22Co-18Cr-TiAl），螺栓材料選用Fe基高溫合金W-545等[1-2]。

目前，已經(jīng)廣泛用于汽輪機(jī)高溫部件的高溫合 金 材 料 有 GH2026、GH2901、GH2136、GH2132、GH3625、GH4080A、GH4169、GH4145、GH6783。 本文對這些合金的特點(diǎn)進(jìn)行了概述，對合金的化學(xué)成分、力學(xué)性能、物理性能等進(jìn)行了分析，討論了合金的應(yīng)用情況，并給出了應(yīng)用建議。

2 合金概述

GH2026是Fe-Ni-Co-Cr基沉淀硬化型變形高溫合金，綜合性能優(yōu)越，具有優(yōu)異的抗應(yīng)力松弛和抗蠕變性能，沒有缺口敏感性，最高使用溫度可達(dá)675℃。

GH2901是Fe-Ni-Cr基沉淀硬化型變形高溫合金。 合金以亞穩(wěn)的 γ’[Ni3（Ti，Al）]相進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化，微量的鋁抑制γ’向η（Ni3Ti）相轉(zhuǎn)化。合金在650℃以下具有較高的屈服強(qiáng)度和持久強(qiáng)度，760℃以下抗氧化性能良好，長期使用組織穩(wěn)定。

GH2132是國外早期發(fā)展并具有成熟使用經(jīng)驗(yàn)的Fe-Ni-Cr基沉淀硬化型變形高溫合金，采用少量的鉬、鈦、鋁、釩和微量硼綜合強(qiáng)化，在650℃以下具有高的屈服強(qiáng)度和蠕變持久強(qiáng)度，并具有良好的加工塑性和滿意的焊接性。合金在650℃長期時(shí)效后，晶界上有G相和胞狀η相析出，時(shí)效6 000 h后η相呈魏氏組織形態(tài)。

GH2136是Fe-Ni-Cr基沉淀硬化型變形高溫合金，使用溫度在700℃以下。該合金是在GH2132合金的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，與之相比，降低了錳和硅的含量，適當(dāng)提高了鈦、硼和碳的含量，使合金在長期使用中降低了G相、б相等脆性相的析出傾向，提高了合金在長期使用中組織及性能的穩(wěn)定性。合金具有良好的綜合性能，有較好的抗氧化性，較小的線膨脹系數(shù)，易于焊接。

GH3625是Ni-Cr基固溶強(qiáng)化型變形高溫合金，以鉻、鉬和鈮為主要固溶強(qiáng)化元素，最高使用溫度可達(dá)705℃。合金具有良好的拉伸強(qiáng)度、蠕變持久強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗局部腐蝕（點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕）性能、抗氧化性能、抗氯離子應(yīng)力腐蝕開裂性能以及良好的成型性和焊接性能。

GH4169是Ni-Cr-Fe基沉淀硬化型高溫合金。合金在650℃以下強(qiáng)度較高，具有良好的抗疲勞、抗氧化和耐腐蝕性能，以及良好的加工性能、焊接性能和長期組織穩(wěn)定性。

GH4080A是Ni-Cr基沉淀硬化型變形高溫合金，使用溫度小于800℃。合金是最早的高溫合金牌號(hào)之一，主要以加入鋁、鈦元素形成γ’相進(jìn)行沉淀強(qiáng)化。合金在650～850℃范圍有良好的抗蠕變和抗氧化性能。合金的冷、熱加工性能良好。

GH4145是Ni-Cr基沉淀硬化型變形高溫合金，主要以γ’相為時(shí)效沉淀強(qiáng)化相，使用溫度在800℃以下。合金在980℃以下具有良好的耐腐蝕和抗氧化性能，800℃以下具有較高的強(qiáng)度，700℃以下具有良好的抗蠕變性能。

GH6783是Co-Ni-Fe基沉淀硬化型鐵磁性抗氧化低膨脹變形高溫合金，使用溫度小于750℃。合金通過加入大量鋁和鈮元素，在時(shí)效時(shí)析出γ’[Ni3（Al，Nb）]彌散強(qiáng)化相與塊狀 β （NiAl） 相進(jìn)行強(qiáng)化。合金在750℃可達(dá)到完全抗氧化級(jí)別，并具有優(yōu)良的室溫、高溫力學(xué)性能、低的熱膨脹系數(shù)和低密度等特性。

3 合金性能

3.1 化學(xué)成分

表1是汽輪機(jī)現(xiàn)有高溫合金材料的化學(xué)成分。

表1 汽輪機(jī)用現(xiàn)有高溫合金材料化學(xué)成分單位：wt%

從表1可以看出這些合金具有以下特點(diǎn)：

（1）合金的成分比較簡單，除Mo、Nb外，合金均不含有難熔金屬元素；

（2）除GH4169外，合金主要通過Ti、Al形成γ’[Ni3（Al，Ti）]進(jìn)行沉淀強(qiáng)化；

（3）除 GH6783、 GH3625、 GH4080A 外， 合金中的Ti/Al均顯著大于1，這就使得合金中的析出強(qiáng)化相 γ’（Ni3(Al，Ti)）變得不穩(wěn)定， 使其較高溫度下長期使用過程中轉(zhuǎn)變?yōu)橛泻Φ摩窍啵∟i3Ti），顯著降低合金的拉伸強(qiáng)度和蠕變持久強(qiáng)度。所以這些合金的使用溫度均不超過650℃。

3.2 力學(xué)性能

表2是合金的室溫拉伸性能、硬度和持久性能。圖1是GH3625不同溫度下的持久曲線，圖2是GH3625合金在不同溫度下的拉伸性能。

圖1 GH3625合金的持久強(qiáng)度曲線[3]

圖2 GH2026合金在不同溫度下的拉伸性能

表2 合金的室溫拉伸性能、硬度和持久性能

從表2和圖1～2可以看出：

（1）除 GH4169 外，合金的屈強(qiáng)比很低，均在 0．6左右，與碳鋼相近，說明合金具有優(yōu)異的塑性；

（2）除GH3625、GH4080A外，合金短時(shí)持久考核溫度均為650℃，說明合金的使用溫度較低；

（3）GH3625和GH4080A的短時(shí)持久考核溫度較高，說明兩種合金可以用到較高的溫度，GH3625可以使用到705℃（如圖1所示）；

（4）GH2026具有優(yōu)異的高溫拉伸性能，特別是其屈服強(qiáng)度下降非常緩慢，到750℃時(shí)，屈服強(qiáng)度僅降低100 MPa；但是，在450～600℃合金的塑性最差，在550℃達(dá)到最低值，因此該合金不適合在此溫度范圍內(nèi)使用。

3.3 線膨脹系數(shù)

汽輪機(jī)大部分部件采用合金鋼和9%-12%Cr不銹鋼制造，這些材料在室溫至600℃的線膨脹系數(shù)在（12～14.5）×10-6/℃。 因此，為了保證高溫合金部件與鋼制部件在高溫下具有較好的間隙配合，提高機(jī)組的整體效率，汽輪機(jī)用高溫合金材料的線膨脹系數(shù)必須與合金鋼及9%-12%Cr不銹鋼相當(dāng)。

圖3是各種汽輪機(jī)用高溫合金材料在不同溫度下的線膨脹系數(shù)。

圖3 合金的線膨脹系數(shù)

從圖3可以看出：

（1）GH2132和GH2136的線脹系數(shù)最高，且顯著高于合金鋼和9%-12%Cr不銹鋼，不適合用于制造汽輪機(jī)部件；

（2）GH6783屬于低膨脹系數(shù)合金，其線膨脹系數(shù)最低，且顯著低于合金鋼和9%-12%Cr不銹鋼，也不適合用于制造汽輪機(jī)部件；

（3）GH2026、 GH2901、 GH3625、 GH4169、GH4080A、GH4145的線膨脹系數(shù)與合金鋼和9%-12%Cr不銹鋼很接近，尤其是在600℃以上，比較適合用于汽輪機(jī)部件；特別地，GH2026和GH3625的線脹系數(shù)最小，在550℃以上，兩種合金基本一致。

4 合金應(yīng)用情況

合金的應(yīng)用情況如表3所示。

表3 合金的應(yīng)用情況

GH2026合金在550℃左右的塑性較差，而通常亞臨界蒸汽溫度為538℃，超臨界蒸汽參數(shù)為566℃。因此，GH2026不適合用于亞臨界和超臨界汽輪機(jī)部件。一個(gè)典型案例是，某亞臨界機(jī)組高中壓中分面螺栓均采用GH2026制造，不但造成機(jī)組成本很高，螺栓的實(shí)際運(yùn)行情況也一般。因此在后續(xù)機(jī)組生產(chǎn)時(shí)，將其全部改為抗蠕變性能和松弛性能優(yōu)異的合金鋼材料，不但大大降低了機(jī)組成本，且實(shí)際運(yùn)行情況良好。該合金在600℃以上更能發(fā)揮其高溫性能優(yōu)異、線膨脹系數(shù)低的優(yōu)勢。

GH4080A廣泛用于國內(nèi)外超臨界、超超臨界汽輪機(jī)動(dòng)葉片、緊固件等，且其高溫性能優(yōu)異，線脹系數(shù)小，完全可以在更高參數(shù)的汽輪機(jī)中應(yīng)用，比如650℃等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)。

GH3625具有優(yōu)異的高溫性能，且線脹系數(shù)非常低，可以考慮將其用于更高參數(shù)的超超臨界汽輪機(jī)，比如國內(nèi)外廣泛研發(fā)的700℃等級(jí)先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)。

GH4145和GH4169在亞臨界、超臨界、超超臨界汽輪機(jī)及聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)中也有較為廣泛的應(yīng)用。但是，由于GH4169合金有著較強(qiáng)的缺口敏感性，GH4145存在應(yīng)力腐蝕問題，且兩種合金均為鎳基合金，成本較高，因此將其用于閥桿和緊固件時(shí)應(yīng)慎重考慮。

GH2901具有優(yōu)異的高溫性能，且其為鐵鎳基高溫合金，成本相對較低，可以推廣其在超超臨界汽輪機(jī)閥桿部件的應(yīng)用。

GH2132和GH2136合金的線膨脹系數(shù)太大，GH6783的線脹系數(shù)太小，雖然它們在汽輪機(jī)密封環(huán)、汽封彈簧片、緊固件上有應(yīng)用業(yè)績，但是考慮到更好的部件間隙配合，更好地提高機(jī)組的效率，不建議在汽輪機(jī)上使用這些合金。

5 總結(jié)

高溫合金材料具有優(yōu)異的高溫性能，已經(jīng)廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)部件。有些高溫合金材料也已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類汽輪機(jī)高溫部件中。然而，由于汽輪機(jī)部件主要采用合金鋼和9%-12%Cr不銹鋼制造，采用高溫合金制造汽輪機(jī)部件時(shí)，必須考慮其與鋼制部件的間隙配合問題。本文分析了汽輪機(jī)用高溫合金材料的各項(xiàng)性能，討論了合金的應(yīng)用情況，總結(jié)如下：

（1）考慮到高溫合金材料在600℃以下存在較低的塑性等問題，建議在蒸汽溫度不低于600℃的汽輪機(jī)中應(yīng)用高溫合金材料；

（2）GH2026、GH3625 和 GH4080A 具有優(yōu)異的各項(xiàng)性能，且線膨脹系數(shù)與鋼非常接近，可以考慮將其應(yīng)用于更高參數(shù)的超超臨界汽輪機(jī)，比如650℃和700℃等先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)；

（3）GH4169合金有著較強(qiáng)的缺口敏感性，GH4145存在應(yīng)力腐蝕問題，且兩種合金均為鎳基合金，成本較高，因此將其用于閥桿和緊固件時(shí)應(yīng)慎重考慮；

（4）GH2901具有優(yōu)異的高溫性能，且其為鐵鎳基高溫合金，成本相對較低，可以推廣其在超超臨界汽輪機(jī)閥桿部件的應(yīng)用；

（5）GH2132和GH2136合金的線膨脹系數(shù)太大，GH6783的線脹系數(shù)太小，雖然它們在汽輪機(jī)密封環(huán)、汽封彈簧片、緊固件上有應(yīng)用業(yè)績，但是考慮到更好的部件間隙配合，更好地提高機(jī)組的效率，不建議在汽輪機(jī)上使用這些合金。

[1]Harlow J H.Metallurgical experience with the Eddystone 5000l b/in21 200 °F Unit No.1[C]∥Joint International Conference on Creep. London: The Institution of Mechanical Engineers,1963:paper No.10,pp.7-11 to 7-20.

[2]Chamberlain HG.The Eddystone experience:An overview of experience in the first twenty-four years[C]∥The EPRI Advanced Pulverized Coal Power Plant Utility Advisory Committee Meeting,Washington,D.C:EPRI,1983.

[3]中國金屬學(xué)會(huì)高溫材料分會(huì)．中國高溫合金手冊:上卷變形高溫合金焊接用高溫合金絲［M］．北京:中國質(zhì)檢出版社 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

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“華龍一號(hào)”作為中國核電 “走出去”的主打品牌，凝聚了中國核電建設(shè)者的智慧和心血，填補(bǔ)了國內(nèi)技術(shù)空白，具有完整的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，達(dá)到了國際三代核電技術(shù)的先進(jìn)水平。 “華龍一號(hào)”福清5號(hào)核電凝汽器殼體是東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司首次生產(chǎn)的尺寸最大、噸位最重的特大型框架結(jié)構(gòu)凝汽器殼體，它的試制成功，宣示著東汽具有了研制自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)重裝凝汽器殼體設(shè)備的能力，為國家核電發(fā)展戰(zhàn)略做出了積極的貢獻(xiàn)。

Application of Superalloy Materials to High-temperature Components of Steam Turbine

Peng Jianqiang
（Harbin Turbine Co.,Ltd.,Harbin Heilongjiang,150046）

TK265

A

1674-9987（2017）03-0058-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.03.013

彭建強(qiáng) （1980-），男，研究生，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事汽輪機(jī)材料研究工作。