工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)透平輪盤材料研究

呂振家，彭建強(qiáng)，張宏濤，馮永志

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

1　前言

日本已經(jīng)開發(fā)出進(jìn)氣溫度達(dá)1600℃的燃?xì)廨啓C(jī)，其聯(lián)合循環(huán)機(jī)組效率超過61.5%[1-2]。目前，日本正在開發(fā)進(jìn)氣溫度達(dá)1700℃的燃?xì)廨啓C(jī)[3]。透平輪盤是燃?xì)廨啓C(jī)核心部件之一，需要承受非常嚴(yán)苛的工況條件，相應(yīng)地，對其用材的性能也有著非常高的要求。因此，國內(nèi)外燃?xì)廨啓C(jī)制造商均非常重視燃?xì)廨啓C(jī)透平輪盤材料的研發(fā)和應(yīng)用。然而，與航空發(fā)動(dòng)機(jī)不同，工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)透平輪盤尺寸很大，對輪盤鍛件材料的冶煉、鍛造等制造工藝以及化學(xué)成分、力學(xué)性能、蠕變持久、疲勞等各項(xiàng)應(yīng)用性能提出了更高要求。從國內(nèi)外工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)輪盤用材可以看出，輪盤材料主要分為合金鋼、9%-12%Cr鐵素體耐熱鋼和高溫合金三類。本文在論述透平輪盤材料種類及其對性能要求的基礎(chǔ)上，討論了三類輪盤材料的制造工藝、化學(xué)成分、各項(xiàng)性能等，并指出為了大型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)透平輪盤必然選擇Ni基高溫合金材料，如何解決大型Ni基高溫合金輪盤材料的偏析嚴(yán)重、鍛造性能差等問題是關(guān)鍵。

2　透平輪盤對材料性能的要求

透平輪盤輪緣接近高溫燃燒氣體通道，正常工作時(shí)溫度達(dá)到550～750℃。輪盤輪芯所承受的溫度只有300～400℃，但它要承受高壓軸或低壓軸的大扭矩作用[4]。輪盤不同部位的溫差比較大，因此產(chǎn)生的輪盤徑向熱應(yīng)力相當(dāng)大。輪盤工作時(shí)帶著葉片高速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致輪盤必須承受很大的離心力。輪盤榫齒部分（即輪盤輪緣與葉片結(jié)合部位）所受應(yīng)力更加復(fù)雜，既有因離心力作用造成的拉應(yīng)力，又有葉片推動(dòng)榫齒部分所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。每次啟動(dòng)和停車，輪盤都會(huì)承受較大應(yīng)力的低周疲勞作用。在這種高溫和大的交變載荷下工作，輪盤所用材料應(yīng)滿足以下性能要求：

（1）較高的室溫強(qiáng)度及沖擊韌性和足夠的塑性，無缺口敏感性；

（2）較高的高溫蠕變持久強(qiáng)度；

（3）較高的大應(yīng)力低周疲勞性能，良好的高周疲勞和冷熱疲勞性能；

（4）合金要具有一定的抗氧化性和抗腐蝕性能，良好的切削加工性能；

（5）要有較小的線膨脹系數(shù)。

3　透平輪盤用耐高溫材料

從國內(nèi)工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)透平輪盤用材來看，主要分為三類高溫材料，即合金鋼、12%Cr鐵素體耐熱鋼和高溫合金。

3.1　合金鋼

早期的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)蒸汽溫度不是很高，且透平冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)葉片長柄葉根結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使渦輪盤輪緣溫度低于550℃。因此，透平輪盤可以采用合金鋼，比如CrMoV和3.5NiCrMoV鋼。CrMoV是一種貝氏體鋼，是常用的汽輪機(jī)高溫轉(zhuǎn)子用鋼，具有優(yōu)異的蠕變性能。但是，其缺點(diǎn)是淬透性不好，導(dǎo)致鋼的韌性很差。一種解決辦法是在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上對輪盤進(jìn)行超速試驗(yàn)，使輪孔產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，以降低輪孔在服役過程中產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力。3.5NiCrMoV鋼具有優(yōu)異的韌性，但是其缺點(diǎn)是具有回火脆性，且蠕變性能差，使用溫度不高。

3.2　12%Cr鐵素體耐熱鋼

與CrMoV鋼相比，12%Cr鐵素體耐熱鋼既具有優(yōu)異的蠕變強(qiáng)度，又具有優(yōu)異的淬透性和韌性，廣泛用于超超臨界汽輪機(jī)高溫轉(zhuǎn)子、葉片、緊固件等部件。目前，最新研發(fā)的12%Cr鐵素體耐熱鋼FB2已經(jīng)應(yīng)用于再熱溫度為620℃超超臨界中壓轉(zhuǎn)子。西門子公司的V94.3A（F級）燃?xì)廨啓C(jī)透平輪盤便采用X12CrMoWVNbN1011鋼制造[5]。該鋼為歐洲COST501項(xiàng)目研發(fā)出的改良型12%Cr鐵素體耐熱鋼，具有優(yōu)異的蠕變持久性能，600℃蠕變持久強(qiáng)度大約為90～100 MPa。同時(shí)具有優(yōu)異的室溫強(qiáng)度和塑韌性。

3.3　高溫合金材料

目前，用于工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的高溫合金材料比較多。這些高溫合金材料主要分為兩類，即Fe-Ni基高溫合金，比如A286、IN706、IN901等，Ni基高溫合金，比如GH4169、GH4742、GH4698等?？傮w來說，F(xiàn)e-Ni基高溫合金的可制造性，比如冶煉、鍛造等，要比Ni基合金要好，但是，蠕變持久強(qiáng)度要低于Ni基合金，使用溫度也就相應(yīng)地低于Fe-Ni基合金。

4　制造工藝

4.1　冶煉

輪盤用材料的冶煉方式主要包括真空感應(yīng)（VIM）、電渣重熔（ESR）和真空自耗重熔（VAR）。

真空感應(yīng)和真空自耗重熔工藝的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）采用真空除氣，顯著降低N和O的含量，有助于防止活性元素（比如Al、Ti、Zr和Hf等）的氧化；

（2）低熔點(diǎn)元素的蒸汽壓力比較高，采用真空處理，可以通過揮發(fā)去除有害的低熔點(diǎn)元素。這是非常有利的，因?yàn)槿缜八?，這些低熔點(diǎn)雜質(zhì)元素會(huì)顯著降低合金的持久性能。

電渣重熔工藝的優(yōu)點(diǎn)是提供合金的純凈度，但是缺點(diǎn)是易產(chǎn)生點(diǎn)狀偏析和枝晶偏析，特別是對于含有Nb等易偏析元素的合金，比如IN718合金。合金的化學(xué)成分和結(jié)晶器的直徑尺寸是影響合金是否出現(xiàn)偏析的關(guān)鍵因素，因此，采用ESR工藝很難制造大直徑的成分復(fù)雜的合金錠。

為了更好地提高ESR合金錠的質(zhì)量，新的工藝方法，比如真空電渣重熔工藝、保護(hù)氣氛電渣工藝等已經(jīng)得到了應(yīng)用。

輪盤用合金鋼必須采用真空自耗重熔工藝或電渣重熔工藝冶煉。

輪盤用9%-12%Cr鐵素體耐熱鋼必須采用真空或保護(hù)氣氛電渣重熔工藝冶煉。

國內(nèi)輪盤用高溫合金普遍采用雙聯(lián)工藝，比如真空感應(yīng)加電渣重熔工藝，或真空感應(yīng)加保護(hù)氣氛電渣重熔工藝，或真空感應(yīng)加真空自耗工藝等。而國外為了提高合金冶金質(zhì)量，往往采用三聯(lián)工藝，比如真空感應(yīng)加保護(hù)氣氛電渣工藝加真空自耗工藝。

4.2　鍛造

輪盤用合金鋼和9%-12%Cr鐵素體耐熱鋼成分比較簡單，制造大型輪盤鍛件沒有任何問題。

然而，對于高溫合金材料而言，由于其成分非常復(fù)雜，且含有大量γ＇強(qiáng)化相，其鍛造成形性非常差。合金的鍛造通常在γ＇相溶解的條件下進(jìn)行，也就是說合金只能在γ＇相固溶溫度以上鍛造。鎳基高溫合金中γ＇相含量與其溶解溫度的關(guān)系如圖1所示。很明顯，合金中γ＇相含量與其固溶溫度呈正比關(guān)系。合金的固溶溫度越高，高溫強(qiáng)度就越高，但是合金的可鍛性越來越差。對于大型鍛件，將鍛造溫度提高到1000℃以上是很困難的。

圖1　鎳基高溫合金中γ＇相含量與其溶解溫度的關(guān)系[6]

5　輪盤材料的性能

5.1　輪盤材料化學(xué)成分

表1是輪盤用典型的9%-12%Cr鐵素體耐熱鋼的化學(xué)成分。從表1可以看出：

表1　9%-12%Cr鐵素體耐熱鋼化學(xué)成分[5,7]單位：wt%

H46的合金成分相對簡單，屬于傳統(tǒng)的9%-12%Cr鐵素體耐熱鋼，使用溫度不超過570℃，是早期參數(shù)不是很高的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)用透平輪盤材料。

X12屬于改良型9%-12%Cr鐵素體耐熱鋼，使用溫度達(dá)600℃，是F級重型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)透平輪盤材料。

MGA10T屬于新型9%-12%Cr鐵素體耐熱鋼，是在改良型9%-12%Cr鐵素體耐熱鋼的基礎(chǔ)上添加Co和B元素研發(fā)而成，使用溫度可達(dá)630℃，是H級工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)透平輪盤材料。

Co元素的作用如下：

（1）Co與Fe、Ni屬于同一周期元素，對鋼起置換固溶強(qiáng)化作用；

（2）Co是奧氏體化元素，具有抑制有害相δ-鐵素體產(chǎn)生的作用。

B元素的作用如下：

（1）B與C屬于同一周期，對鋼起間隙固溶強(qiáng)化作用；

（2）B會(huì)進(jìn)入9%-12%Cr鐵素體耐熱鋼主要強(qiáng)化相M23C6中形成M23(C,B)6，起到抑制碳化物聚集長大的作用，進(jìn)而提高鋼的長期蠕變持久強(qiáng)度。

表2　高溫合金化學(xué)成分[7-10]單位：wt%

表2是輪盤用高溫合金材料的化學(xué)成分。從表2可以看出：

（1）主要分為Fe-Ni基高溫合金和Ni基高溫合金；

（2）Fe-Ni基高溫合金的特點(diǎn)是含F(xiàn)e量較高，但Al、Ti等時(shí)效強(qiáng)化元素的含量較低，這種成分組合的優(yōu)點(diǎn)是可成形性好，如采用GH2674和In706合金可以制造直徑達(dá)2200 mm、重達(dá)7 t的大型輪盤鍛件，缺點(diǎn)是使用溫度較低，長時(shí)組織穩(wěn)定性略差；

3） Ni基合金的特點(diǎn)是含Ni量較高，但Al、Ti、Nb等時(shí)效強(qiáng)化元素的含量較高，這種成分設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是合金的使用溫度更高，長期組織穩(wěn)定性更好，缺點(diǎn)是可成形性差，如采用GH4698等合金僅能制造直徑達(dá)1200 mm，重量不超過2 t的輪盤鍛件。

5.2　高溫合金中雜質(zhì)元素控制

雜質(zhì)元素對高溫合金蠕變持久性能及拉伸塑性等非常有害（分別如表3和圖2所示），必須將其含量控制在極低的水平。

雜質(zhì)微量元素主要來源與煉鋼所用的原材料，其次是來自于煉鋼過程中大氣污染（如早期的常壓電弧爐冶煉）、爐壁上或坩堝材料的污染，再次是來源于合金錠或母合金以及零件澆注過程中的污染。

表3　G H4169合金中S i和P含量對室溫拉伸性能和持久性能的影響[11]

圖2　微量雜質(zhì)元素含量對IN718合金650℃、690 MPa持久性能的影響[12]

高溫合金生產(chǎn)用Ni、Cr、Co、W和Mo等合金元素，都是由地殼中開采出的礦物提煉出來的，因此不可避免地含有礦物中所含有的各種微量雜質(zhì)。

表4是國內(nèi)外高溫合金中微量雜質(zhì)元素的最大允許含量，可以看出國外明顯嚴(yán)于國內(nèi)。實(shí)際上，由于國內(nèi)煉鋼原材料水平、冶煉澆注工藝水平所限，實(shí)際的輪盤鍛件微量雜質(zhì)元素控制水平也普遍低于國外，如圖3所示。

表4　微量雜質(zhì)元素在高溫合金中的最大允許含量（p p m）[11]

圖3　國內(nèi)外輪盤用高溫合金微量雜質(zhì)元素含量對比

從圖3可以看出:

（1）國內(nèi)外P元素控制要求一致，但國內(nèi)S元素控制遠(yuǎn)低于國外；

（2）國內(nèi)Bi和Sn元素控制優(yōu)于國外；

（3）國內(nèi)Pb元素控制不如國外；

（4）國內(nèi)對Se、Ag、N、O等元素沒有要求，但國外均有嚴(yán)格要求。

5.3　輪盤材料的線膨脹系數(shù)

圖4是不同輪盤線膨脹系數(shù)比較。從圖4可以看出，線膨脹系數(shù)從小到大排列順序如下：

9%-12%Cr鋼→3.5NiCrMoV→CrMo→GH4742→GH4698→IN901→IN706→A286。

這說明，從防止熱疲勞的角度來看，9%-12%Cr鋼是最佳的輪盤選材方案?？紤]到9%-12%Cr鐵素體耐熱鋼還具有優(yōu)異的蠕變持久強(qiáng)度，且目前最新投入商業(yè)運(yùn)行的新型9%-12%Cr鐵素體耐熱鋼的使用溫度已經(jīng)達(dá)到630℃。所以，對于工作溫度不超過630℃的輪盤，均可以采用9%-12%Cr鐵素體耐熱鋼制造。

鐵鎳基高溫合金的線脹系數(shù)最大，比如A286合金在不同溫度下的線膨脹系數(shù)均大于16.0，很容易引起熱疲勞損傷，但是其優(yōu)點(diǎn)是可鍛性好。目前已經(jīng)可以采用鐵鎳基高溫合金制造直徑達(dá)2200 mm，重達(dá)近7 t的大型輪盤鍛件。

鎳基高溫合金的線膨脹系數(shù)居合金鋼和鐵鎳基高溫合金之間，且具有更高的使用溫度，是高參數(shù)燃?xì)廨啓C(jī)透平輪盤用材。但是，由于其含有較高的γ＇和γ＇＇強(qiáng)化相，其可鍛造性能較差，很難制造大型輪盤鍛件。

圖4不同輪盤材料線膨脹系數(shù)比較

5.4　國內(nèi)外輪盤材料的力學(xué)性能對比

雖然國內(nèi)高溫合金輪盤材料在冶煉工藝、微量雜質(zhì)元素控制等方面與國外還有一定差距，但對于某些高溫合金輪盤材料，比如GH4698、GH4742等，通過各種工藝優(yōu)化，國內(nèi)外鍛件性能已經(jīng)相差不大，且國產(chǎn)鍛件的部分指標(biāo)已經(jīng)優(yōu)于國外。

圖5是國內(nèi)外輪盤鍛件的性能對比。從圖5可以看出，國產(chǎn)鍛件的屈服強(qiáng)度和塑性指標(biāo)比進(jìn)口鍛件略好，沖擊功明顯優(yōu)于進(jìn)口鍛件。

圖5　國內(nèi)外輪盤鍛件性能對比

5.5　蠕變疲勞性能

透平輪盤在服役過程中既受到高溫蠕變作用，又受到大應(yīng)力低周疲勞作用，因此，必須考核輪盤材料的蠕變疲勞性能。采用國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)研發(fā)的超高溫蠕變疲勞測試儀測試了GH4698合金在950℃下的蠕變-疲勞性能，結(jié)果如表5所示。

表5　G H4698合金高溫蠕變-疲勞交互試驗(yàn)

如表5所示，GH4698合金在950℃、150 MPa和100 MPa試驗(yàn)條件下的蠕變疲勞交互作用試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間分別僅為1.1 h和2.2 h，說明對于GH4698合金來說，在950℃下的蠕變-疲勞性能非常差。

6　新型大型高溫合金輪盤材料

IN718具有優(yōu)異的力學(xué)性能，是國內(nèi)外廣泛使用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和小型燃?xì)廨啓C(jī)透平輪盤鍛件材料。然而，由于如下原因，很難制造大型輪盤鍛件：

（1）其成分復(fù)雜，導(dǎo)致大型合金錠偏析嚴(yán)重；

（2）強(qiáng)化相γ＇和γ＇＇含量高，可鍛造性能較差。

為了解決上述問題，日本三菱公司通過優(yōu)化成分，開發(fā)出一種新型大型輪盤鍛件材料FX550，其力學(xué)性能與IN718相當(dāng)，可制造性與IN706相當(dāng)。目前，已經(jīng)制造出直徑達(dá)1180 mm且無宏觀偏析的輪盤鍛件，如圖6所示。

圖6　新型FX550大型輪盤鍛件[13]

7　總結(jié)

透平輪盤是工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵部件之一，通過分析輪盤對材料的要求、輪盤材料種類、輪盤鍛件制造工藝，輪盤材料化學(xué)成分和力學(xué)性能等，指出目前國內(nèi)輪盤材料在制造工藝和材料性能方面還存在一定差距。隨著工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度的不斷提高，Ni基高溫合金材料將會(huì)是大型輪盤鍛件的必然選擇。因此，如何解決大型Ni基高溫合金輪盤材料的偏析嚴(yán)重、鍛造性能差等問題是關(guān)鍵。

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