重型燃?xì)廨啓C(jī)用大型高溫合金輪盤鍛件研究

彭建強(qiáng)，呂振家，張宏濤，李毅剛，閆紅博

(1.哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046； 2.黑龍江科技大學(xué),哈爾濱150022)

目前，H級重型燃?xì)廨啓C(jī)已經(jīng)廣泛投入商業(yè)運(yùn)行，J級1 600 ℃等級燃?xì)廨啓C(jī)也已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)機(jī)運(yùn)行驗(yàn)證，日本正在研發(fā)1 700 ℃等級的重型燃?xì)廨啓C(jī)[1-3]。隨著燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣參數(shù)的提高，透平輪盤的工作溫度也不斷提高。重型燃?xì)廨啓C(jī)透平輪盤材料經(jīng)歷了NiCrMoV合金鋼到12%Cr馬氏體耐熱鋼，再到變形高溫合金的發(fā)展歷程。目前，國內(nèi)外正在開展650 ℃等級大型透平輪盤材料的研發(fā)和應(yīng)用工作。

重型燃?xì)廨啓C(jī)透平輪盤用大型高溫合金輪盤鍛件尺寸和質(zhì)量都很大，比如F級重型燃?xì)廨啓C(jī)透平輪盤鍛件，其直徑超過2 000 mm，質(zhì)量超過5 t。同時(shí)，輪盤鍛件用高溫合金的成分也比較復(fù)雜。這就大大增加了輪盤鍛件的制造難度。本文將分析比較國內(nèi)外燃?xì)廨啓C(jī)透平輪盤用高溫合金成分特點(diǎn)，介紹輪盤鍛件的冶煉工藝、研發(fā)和應(yīng)用情況，并介紹國內(nèi)鍛造廠制造能力，重點(diǎn)分析大型透平輪盤鍛件研發(fā)和應(yīng)用面臨的難點(diǎn)，為我國650 ℃等級重型燃?xì)廨啓C(jī)透平輪盤用大型高溫合金鍛件的研發(fā)和應(yīng)用提出建議。

1 國內(nèi)外燃?xì)廨啓C(jī)透平輪盤用高溫合金鍛件研發(fā)和應(yīng)用情況

1.1 輪盤鍛件化學(xué)成分

目前，國內(nèi)外常用燃?xì)廨啓C(jī)輪盤用高溫合金鍛件的化學(xué)成分如表1所示。

表1 國內(nèi)外常用燃?xì)廨啓C(jī)輪盤材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)[4]

從表1可以看出，這些輪盤材料的化學(xué)成分具有以下特點(diǎn)：

1)以鐵鎳合金為主；

2)合金的Cr含量相對較低，基本在15%左右；

3)Nb和Ti含量普遍較高，尤其是Ti，除GH4169外，其他合金均含有約2%～3%的Ti；

4)除GH4742外，其他合金的Ti與Al含量比均大于1，特別是GH2132、GH2674、GH2901等合金Ti與Al含量比遠(yuǎn)大于1；

5)除GH2706外，均含有Mo，其中GH2901的Mo含量高達(dá)5.7%。

輪盤材料主要化學(xué)元素的作用如下：

1)Cr。Cr的主要作用之一是抗氧化和抗熱腐蝕。合金中Cr含量只要大于15%，即使Al含量小于5%，也可以在高溫合金表面形成致密而粘附性優(yōu)異的保護(hù)膜。

2)Al和Ti。對于含有Al、Ti的時(shí)效強(qiáng)化合金，通常用(Ti+Al)含量和Ti與Al含量比表征合金的強(qiáng)化效果。這是因?yàn)椋?1)這類合金主要依靠γ’(Ni3(Al,Ti))相強(qiáng)化，所以(Ti+Al)含量越高，則合金的強(qiáng)度越高；(2)γ’相為有序面心立方結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度較高時(shí)，容易轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮榉€(wěn)定的密排六方結(jié)構(gòu)的η(Ni3Ti)相。轉(zhuǎn)變后的η相在晶界以胞狀存在，在晶內(nèi)以片狀存在。這兩種存在方式都會(huì)降低合金的強(qiáng)度。

3) Mo。Mo的原子半徑比較大，比Ni、Co、Fe的半徑大9%～12%。因此，Mo在高溫合金中主要起固溶強(qiáng)化作用。同時(shí)，Mo還具有細(xì)化晶粒的作用，從而提高合金的屈服強(qiáng)度。

4)Nb。Nb在高溫合金中的作用主要是形成γ’’(Ni3Nb)強(qiáng)化相。另外，Nb在基體中的Co元素還會(huì)降低Al和Ti在基體中的溶解度，從而提高γ’沉淀強(qiáng)化相的數(shù)量。

5)Co。Co與Ni屬于第ⅧB族，能通過固溶強(qiáng)化顯著提高合金的持久強(qiáng)度。固溶在基體中的Co元素還會(huì)降低Al和Ti在基體中的溶解度，從而提高γ’沉淀強(qiáng)化相的數(shù)量。同時(shí)，γ’相的成分會(huì)變?yōu)?Ni，Co)3(Al,Ti),提高γ’相的溶解溫度[13]。但是,該元素的價(jià)格很高,對于大型透平輪盤用材來說，基于成本考慮一般不添加Co。

1.2 冶煉工藝

大型輪盤鍛件用高溫合金的冶煉工藝包括如下4種[5-6]：

1)電弧爐(EAF)+電渣重熔(ESR)；

2)真空感應(yīng)(VIM)+真空自耗(VAR)；

3)VIM+ESR；

4)VIM+ESR+VAR。

VIM工藝的優(yōu)點(diǎn)如下:

1)能去除H2、O2、N2等氣體；

2)能防止Al、Ti等活性元素被氧化；

3)能去除Pb、Bi等有害的低熔點(diǎn)元素。

VAR工藝的優(yōu)點(diǎn)如下：

1)能降低Pb、Bi等有害低熔點(diǎn)元素的含量；

2)能去除H2、O2、N2等氣體，但對于含有碳化物形成元素Ti、Nb的高溫合金，難以完全去除N2；

3)能去除氧化物等夾雜物，提高合金純凈度。

VAR工藝的缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生白斑偏析缺陷，解決辦法是采用組織致密的電渣錠作為電極。

ESR工藝的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠有效去除夾雜物，提高合金錠的純凈度。最大缺點(diǎn)是偏析嚴(yán)重，容易產(chǎn)生黑斑缺陷。特別是對于Nb含量較高的GH4169合金等，很難制造無偏析的大直徑ESR合金錠。為了提高ESR電渣錠的質(zhì)量，真空電渣設(shè)備或保護(hù)氣氛電渣設(shè)備越來越多地得以應(yīng)用。

目前，雙聯(lián)工藝(VIM+VAR)是冶煉高溫合金普遍采用的工藝，對于Nb含量比較高的合金，比如GH4169、GH2706等，三聯(lián)工藝(VIM+ESR+VAR)是常用的工藝。

1.3 研發(fā)和應(yīng)用情況

目前，國內(nèi)外大型燃?xì)廨嗗懠邪l(fā)和應(yīng)用情況如表2所示。

表2 國內(nèi)外大型燃?xì)廨嗗懠邪l(fā)和應(yīng)用情況[5]

其中FX550合金是日本三菱日立公司為解決重型燃?xì)廨啓C(jī)用大型輪盤用材問題，在IN718基礎(chǔ)上通過調(diào)整化學(xué)成分得到的新型合金，其性能與IN718相當(dāng)，可制造性與IN706相當(dāng)。

2 國內(nèi)模鍛設(shè)備能力

目前，國內(nèi)的模鍛設(shè)備(含擠壓機(jī))能力及數(shù)量如表3所示。

表3 國內(nèi)的模鍛設(shè)備(含擠壓機(jī))能力及數(shù)量[7]

從表3可以看出，無論是設(shè)備功能、種類還是數(shù)量，國內(nèi)模鍛件生產(chǎn)廠家均有非常強(qiáng)的能力。已經(jīng)有大型輪盤鍛件制造業(yè)績的設(shè)備有：

1)300 MN噸立式模鍛水壓機(jī)；

2)350 MN離合器式螺旋壓力機(jī)；

3)400 MN模鍛液壓機(jī)；

4)800 MN模鍛液壓機(jī)。

3 大型透平輪盤鍛件研發(fā)和應(yīng)用面臨的難點(diǎn)

3.1 大型化問題

如上所述，已經(jīng)投入商業(yè)運(yùn)行的透平輪盤鍛件直徑已經(jīng)達(dá)2 200 mm，從其化學(xué)成分看，具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：

1)合金為鐵鎳基合金；

2)Nb含量不超過3%。

這是因?yàn)椋?/p>

1)鎳基合金的變形抗力很大，從目前研發(fā)和應(yīng)用的情況來看，很難制造直徑超過2 000 mm的鎳基合金鍛件；

2)Nb含量如果超過3%，比如GH4169合金，即使采用三聯(lián)冶煉工藝，也無法解決直徑達(dá)900 mm的大型合金錠偏析問題。

3.2 高溫性能問題

3.2.1 主要強(qiáng)化合金元素的影響

透平輪盤鍛件材料均為時(shí)效強(qiáng)化高溫合金，主要依靠γ’和γ’’。γ’和γ’’含量越高，則蠕變持久強(qiáng)度就越高，如圖1所示。而γ’和γ’’主要由Ni、Al、Ti、Nb元素構(gòu)成，因此，合金必須含有足夠數(shù)量的上述元素。

圖1 (γ’+γ’’)含量對輪盤鍛件蠕變

不同溫度下的拉伸性能是燃?xì)廨啓C(jī)輪盤用高溫合金的重要性能指標(biāo)之一?；瘜W(xué)元素和溫度對燃?xì)廨啓C(jī)輪盤用高溫合金強(qiáng)度的影響程度如圖2所示?？梢钥闯觯?/p>

1)溫度對材料強(qiáng)度的影響最大；

2)化學(xué)元素中Ti的影響最大，其次是Nb；

3)Ti對抗拉強(qiáng)度的影響大于屈服強(qiáng)度；

4)Nb對屈服強(qiáng)度的影響大于抗拉強(qiáng)度。

圖2 化學(xué)元素和溫度對燃?xì)廨啓C(jī)輪盤用高溫合金強(qiáng)度的影響程度[8]

3.2.2 殘余元素的影響

殘余元素對高溫合金的持久性能有著顯著的影響，如圖3所示。而目前國內(nèi)在輪盤鍛件殘余元素控制方面與國外還有很大的差距。

圖3 微量雜質(zhì)元素含量對IN718合金650 ℃、690 MPa持久性能的影響[8]

3.3 長期組織穩(wěn)定性問題

如前所述，輪盤鍛件主要靠γ’(Ni3(Al,Ti))相和γ’’(Ni3Nb)相強(qiáng)化，其中，γ’相為面心立方結(jié)構(gòu)，γ’’相為體心四方結(jié)構(gòu)。但是，如果合金中的Ti與Al含量比大于1，或Nb含量較高，則這兩種相在高溫下長時(shí)間暴露后均會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，γ’相會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮榉€(wěn)定的密排六方結(jié)構(gòu)的η(Ni3Ti)相，γ’’相會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮榉€(wěn)定的斜方結(jié)構(gòu)的δ(Ni3Nb)相。轉(zhuǎn)變后的η相和δ相在晶界以胞狀存在，在晶內(nèi)以片狀存在。這兩種存在方式都會(huì)降低合金的高溫蠕變持久強(qiáng)度。研究表明，B和Al都能有效抑制上述轉(zhuǎn)變。因此，為了保證優(yōu)異的長期組織穩(wěn)定性，合金應(yīng)含有一定量的B和Al，同時(shí)Ti與Al含量比應(yīng)不超過1，Nb含量不宜過高。

4 材料的研發(fā)和應(yīng)用建議

綜上所述，對于我國650 ℃等級重型燃?xì)廨啓C(jī)透平輪盤用高溫合金材料的研發(fā)和應(yīng)用給出如下建議：

1)合金類型為鐵鎳基時(shí)效強(qiáng)化合金，名義成分為20%Cr-40%Ni-5%Mo-2.6%Ti-2.6%Al-2.6%Nb-C-B，其余為Fe。

2)冶煉方法采用三聯(lián)工藝，即VIM+真空或保護(hù)氣氛電渣重熔(VESR或PESR)+VAR工藝；

3)鍛造設(shè)備采用800 MN模鍛液壓機(jī)。

5 結(jié) 論

本文介紹了國內(nèi)外燃?xì)廨啓C(jī)透平輪盤鍛件研發(fā)和研發(fā)情況，重點(diǎn)介紹了輪盤鍛件的化學(xué)成分特點(diǎn)、冶煉工藝及國內(nèi)鍛造廠制造能力，分析了大型透平輪盤鍛件研發(fā)和應(yīng)用面臨的難點(diǎn)，并對我國650 ℃等級重型燃?xì)廨啓C(jī)透平輪盤用大型高溫合金鍛件的研發(fā)和應(yīng)用提出了建議。