烟气轮机用Waspaloy合金叶片热处理工艺的选择.pdf_大学文库

第 1卷5 第】期北京科技大学学报一” 年3 一月 J o unr a l oUf n i ev r s i t y o f s e i e ne e a ndT e e h n o l oBg y e i i n g V o l 。 1 5 N o . l J a n 。 1 993 烟气轮机用 W a s p a l o 合金y 叶片热处理工艺的选择王迪 ’ 陈国良 * 摘要就: 烟气轮机用 w a s Pa l 合金涡oy轮叶片热处理工艺的选择 , 分析了合金经 2 种不同的热处理工艺处理后 , 组织与性能表现出的不同特点。结合叶片的实际工作条件进行了综合分析与讨论。关键词 : 烟气轮机 , w a s p al 叮合金 , 涡轮叶片 , 了相 , 热处理 S e l e c t i o n o f H e a t T r e a t m e n t s fo r W a s P a l o y A ll o y a s F l u e G a s T u r b i n e B l a d e 附 a n g D i ` C I : e n G u o li a n g A B S T R A C T : A s u P e r a ll o y , W a s p a l o y , w a s s e l e e t e d a s a t y P i e a l b l a d e a ll o y fo r t h e a d v a n e e d fl u e g a s t u r b i n e . T w o d i fe r e n t h e a t t r e a t m e n t s w h i e h r e s u lt e d i n t h e d i fe r e n t m i e r o s t r u e t u r e a n d m e e h a n i e a l P r o p e r t i e s w e r e i n v e s t i g a t e d a n d e o m P a r e d . H o w e v e r , t h e b l a d e s w i t h t h e s e t w o h e a t t r e a t m e n t s h a v e b e e n s u e e e s s fu ll y p e r fo mr i n g fo r m o r e t h a n o n e y e a r . A d e t a il e d d i s e u s s i o n w a s g i v e n i n t h i s P a P e r . K E Y W O R D S : fl u e g a s t u r b i n e , W a s p a l o y a ll o y , b l a d e , 7 , p h a s e h e a t t r e a t m e n t 标志烟气轮机质量水平的重要指标之一 , 是热部件的选材与材质控制。国内与国外主要热部件的选材基本相同〔 ’ 〕。我国生产的 w as p al o y ( G H 8 6 4) 合金涡轮叶片已在 Y L 1 1 0 0 0 0 型烟气轮机上通过了 15 O0 0 h 长寿命装机运行考验 , 仍在继续使用。尽管选材相同 , 国内对材料的生产工艺和质量控制均进行了比较细致的研究工作 , 使之适应工作条件对材料的实际使用要求 , 并在材料的生产与使用过程中不断完善。 1 两种热处理工艺目前 , 烟气轮机用 W as p al oy 合金叶片采用 ( A ) 、 ( B ) 两种不同的热处理工艺 : 19 92一 06一 0 2 收稿 * 材料科学与工程系 (D e p a r t m e n t o f M a t e r i a l s s c i e n e e a n d E n g i n e e r i n g ) 笛一作考下油男 5 副教授 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1993. 01. 004

Vol.15 No.1 烟气轮机用Waspaloy合金叶片热处理工艺的选择 ·21· (A)1080℃/4h/空冷+845℃/24h/空冷+760℃/16h/空冷 (B)1023℃/4h/空冷+845℃/4h/空冷+760℃/16h空冷两工艺分别来自AMS5708E2和AMS5704C3:。两工艺的差别是固溶处理温度为1080℃和1023℃，以及845℃稳定化处理的保温时间有较大差别。通常用做祸轮叶片的Waspaloy合金是采用(A)工艺处理。美国ELLIOTT公司的 TH-85-2型烟气轮机，其Waspaloy合金涡轮叶片采用了(B)工艺处理。(B)工艺来源于AMS5704C,规定的热处理温度为995~1040℃。 2试验结果与分析 2.1试验用材料为采用双真空工艺生产的Waspaloy(GH864)合金棒材，经模最成烟气轮机用叶片毛坯。叶片毛坯分别经(A)、(B)工艺热处理后，取样测试力学性能和进行组织分析。 2.2力学性能测试结果试验用叶片毛坯分别经(A)、(B)工艺热处理之后，力学性能的测试结果见表1。可以看出，相同材料经两种工艺热处理后的力学性能，表现出明显的不同特点。固溶处理温度高的(A)工艺，得到的高温持久断裂寿命明显高于(B)工艺，而且持久试验温度愈高，这种优势愈明显。固溶处理温度低的(B)工艺，与(A)工艺相比，可以获得高的室温与高温瞬时拉伸强度和塑性，以及高的持久塑性。很明显，(B)工艺上述性能的改善，是以大幅度降低持久强度为代价取得的。表1 Waspaloy合金试样的力学性能 Table 1 Mechanical properties of Waspaloy alloy samples 室温驿时拉伸 538℃群时拉伸热处理工艺 001 中 db F0.1 (MPa) (MPa) (%) (%) (MPa) (MPa) (%) (%) 1190 840 21.4 26.5 1120 703 18.4 22.6 (A) 1240 866 20.2 24.6 1135 716 16.8 22.2 1293 920 21.6 30.4 1268 812 25.6 36.3 (B) 1334 941 27.6 31.6 1263 825 27.2 29.4 (续表1) 815℃群时拉伸 732℃~517MPa持久 815℃~330MPa持久工 c02 艺 (MPa)(MPa)(% (%) (h) (%) (%) (h) (%) (%) 659 604 35.2 51.9 92.8 20.6 32.5 76.3 35.6 50.3 (A) 674 593 38.6 57.2 115.4 32.5 31.8 87.6 36.4 42.2 720 690 36.8 81.6 41.0 73.0 86.1 20.3 42.4 72.9 (B) 743 694 43.6 78.2 50.9 50.1 60.4 24.1 64.0 76.9 2.3合金的组织分析

V o l . 15 N o . I 烟气轮机用 w a s Pa loy 合金叶片热处理工艺的选择 ( A ) 1 0 8 0 ℃ / 4 h / 空冷+ 84 5 ℃ / 2 4 h / 空冷+ 7 6 0 ℃ / 16 h 厂空冷 ( B ) 1 02 3 ℃ / 4 h / 空冷十8 45 ℃ / 4h / 空冷十7 60 ℃ / 1 6h , 空冷两工艺分别来自 A M s 7 08 E 二鱿和 A M s 7 04 c 〔’ 二。两工艺的差别是固溶处理温度为 1 08 0℃ 和 1 0 23 ℃ , 以及 8 45 ℃ 稳定化处理的保温时间有较大差别。通常用做涡轮叶片的 w as p al o y 合金是采用 ( A ) 工艺处理。美国 E L IL O T T 公司的 T H 一 8 5 一 2 型烟气轮机 , 其 W as p al o y 合金涡轮叶片采用了 ( )B 工艺处理。 ( B ) 工艺来源于 A M S S 7 0 4 C , 规定的热处理温度为 9 9 5一 1 0 4 0℃ 。 2 试验结果与分析 2 . 1 试验用材料为采用双真空工艺生产的 w as p al oy ( G H 8 6 4) 合金棒材 , 经模锻成烟气轮机用叶片毛坯。叶片毛坯分别经 ( A ) 、 ( B) 工艺热处理后 , 取样测试力学性能和进行组织分析。 2 . 2 力学性能测试结果试验用叶片毛坯分别经 ( A ) 、 ( B ) 工艺热处理之后 , 力学性能的测试结果见表 1 。可以看出 , 相同材料经两种工艺热处理后的力学性能表现出明显的不同特点。固溶处理温度高的 ( A ) 工艺 , 得到的高温持久断裂寿命明显高于 ( B ) 工艺 , 而且持久试验温度愈高 , 这种优势愈明显。固溶处理温度低的 ( B ) 工艺 , 与 ( A ) 工艺相比 , 可以获得高的室温与高温瞬时拉伸强度和塑性 , 以及高的持久塑性。很明显 , ( )B 工艺上述性能的改善 , 是以大幅度降低持久强度为代价取得的。表 1 w as aP loy 合金试样的力学性能 T a b l e 1 M e e h a n i e a l P r o P e r t i e s o f w a s P a l o y a ll 。冬 , s a m Pl e s 室温瞬时拉伸 5 38 ℃ 释时拉伸热处理工艺几丙 : 占沙丁b 凡之占沙 (M P a ) (M P a ) (% ) ( % ) ( M P a ) (人I P a ) ( % ) (% ) 1 19 0 84 0 2 1 . 4 2 6 5 1 12 0 7 0 3 18 . 4 2 2 . 6 ( A ) 1 2 4 0 86 6 2 0 . 2 2 4 . 6 1 1 3 5 7 16 16 一 8 2 2 . 2 1 2 9 3 9 2 0 2 1 . 6 3 0 4 1 2 6 8 8 12 2 5 6 3 6 . 3 ( B ) 1 3 3 4 9 4 1 2 7 . 6 3 1 石 1 2 6 3 8 2 5 2 7 . 2 2 9 . 4 (续表 1) 8 15 ℃ 瞬叶拉伸 7 3 2 ℃ 一 S I 7 M P a 持久 8 15℃ 一 33 0 M P a 持久 1 o b 。。 . : 占沙 : 占沙 : 占访艺 (M P a ) (M P a ) ( % ) (% ) ( % ) ( % ) 6 7 4 7 2 0 6 0 4 5 9 3 6 9 0 6 9 4 ( h ) 9 2 . 8 ( 仑0/ ) 3 2 5 ( h ) 7 6 3 ( % ) 5 0 . 8 望8 1 . 6 l」全三 4 I . U 3 2 7 3 . 6 . 5 . O 3 1 8 6 2 0 . 3 2 4 . 7 型4 2 , 4 4 2 . 2 7 2 乡 7 6 乡 .2 3 合金的组织分析

·22 北京科技大学学报 1993No.1 相同材料经(A)、(B)工艺热处理后力学性能表现出来的差异，取决于合金内部组织的不同特点，主要是？基体的晶粒大小与相析出的数量、状态不同。 Waspaloy合金的晶粒长大规律表明(4,5：，团溶处理温度低于1000℃，晶粒大小不发生变化；低于1040℃固溶处理，晶粒稍有长大；晶粒突然长大温度在1040~1060℃ 之间。晶粒突然长大温度与相的溶解温度是对应的，·相的溶解与否对晶粒长大具有重要影响。由文献[5]阿知，本试验用材料的A-i含量为4.39%，相的溶解温度在1 C40℃左右。(A)、(B)两工艺的固溶处理温度分别处于'相完全溶解温度的两侧，热处理后获得的晶粒大小有明显差别（见图1）。 100:m 100m 图1 Waspaloy合金试样热处理后的品粒大小 Fig.1 Grain size of Waspaloy aloy blade after various heat treatments 晶粒大小不同是合金表现出上述不同力学性能的重要原因之一。从图1-(6)还可看出，(B)工艺可以获得细小品粒，但不均匀，并仍然保留了部分处于高能状态的没有再结品的锻态晶粒组织。试验表明，如果把(B)工艺的固溶处理温度提高10~15℃，在1033~1038℃图溶处 ..100m 理，再结晶已完全，品粒稍有长大（见图 2)。固溶处理温度提高10~15℃，合金图2模锻叶片毛还的晶粒大小的力学性能与(B)工艺相同，固溶处理 Fig.2 Grain size of Waspaloy alloy blad 温度也仍然符合AMS5704C规定的995~1040℃。晶粒组织的改善对材料的长寿命使用是有益的。透射电子显微镜观察看出，叶片毛坯经1080℃/4固溶处理之后，相已完全溶解。而经1023℃/4h因溶处理，Y相并没有完全溶解，锻态粗大的y相颗粒仍然保留了下来，数量约在4%左右。锻态未溶的粗大颗粒可以起到对品界的钉扎作用，从而阻止了1023℃固溶处理过程中的品粒长大，仍然保持了较为细小的锻态品粒组织。叶片毛坯经(A)、(B)工艺完全热处理、'相析出明显不同（见图3）。(A)工艺热处理之后，在y 基体上弥散析出直径约在400-700nm之间的相，数量约21%左右。从图3(b)看出，经

北京科技大学学报 9 3 N o . 1 相同材料经 ( A ) 、 ( B ) 工艺热处理后力学性能表现出来的差异 , 取决于合金内部组织的不同特点 , 主要是 7 基体的晶粒大小与厂相析出的数量、状态不同。 w as aP lo y 合金的晶粒长大规律表明以鱿 , 固溶处理温度低于 1 0 0 ℃ , 晶粒大小不发生变化 ; 低于 1 0 4 0 ℃ 固溶处理 , 晶粒稍有长大 ; 晶粒突然长大温度在 1 04 0 一 1 0 60 ℃ 之间。晶粒突然长大温度与厂相的溶解温度是对应的 , .’} 相的溶解与否对晶粒长大具有重要影响。由文献【5J 可知 , 本试验用材料的 lA 二 iT 含量为 .4 39 % , 丫相的溶解温度在 1 04 0℃ 左右。 ( A ) 、 ( B ) 两工艺的固溶处理温度分别处于丫相完全溶解温度的两侧 , 热处理后获得的晶粒大小有明显差别 ( 见图 l ) 。 ’ _ 拼二〔 ’ 七 . t b 冬、 | ` 7 , 片尸t 丫六 - 一仪 ` 、一扳、寸` ` 、荞、又办` ’ 丫一声 ~ 二万 · 户 ` 万 ’ 二二 , ,. 厂 f , ù呵声ó r 火 ó . 卜 . 月一、 \\ \ 旅“ùn一 · 、尸 ` 丫` `. 城 / , . \ . ù r \ - 、一卜 l 、、 \ . 弓衬 . /少 F i g 图 1 W as p a l叮合金试样热处理后的晶粒大小 G r a i n s 让e o f W a s P a l o y a ll o y b l a d e a ft e r v a r i o u s h e a t t r e a tm o n t s 厂一几 . 夕晶粒大小不同是合金表现出上述不同力学性能的重要原因之一。从图 1 一 (b) 还可看出 , ( )B 工艺可以获得细小晶粒 , 但不均匀 , 并仍然保留了部分处于高能状态的没有再结晶的锻态晶粒组织。试验表明 , 如果把 ( B ) 工艺的固溶处理温度提高 1 0 一 1 5 ,C , 在 1 0 3 3一 1 0 3 8 ,C 固溶处理 , 再结晶已完全 , 晶粒稍有长大 ( 见图 2) 。固溶处理温度提高 10 一 15 ℃ , 合金图 2 模锻叶片毛坯的晶粒大小的力学性能与 ( B ) 工艺相同 , 固溶处理 F i g · 2 G r a i n s i z e o r w a s p a l o y : zl o y bla d 温度也仍然符合 A M S S 7 0 4 C 规定的 9 95 一 1 0 4 0 ℃ 。晶粒组织的改善对材料的长寿命使用是有益的。透射电子显微镜观察看出 , 叶片毛坯经 1 0 80 亡 / 4 h 固溶处理之后 , 丫相已完全溶解。而经 1 02 3 ℃ / 4 1 1 固溶处理 , 厂相并没有完全溶解 , 锻态粗大的 .}’ 相颗粒仍然保留了下来 , 数量约在 4 % 左右。锻态未溶的粗大 .’} 颗粒可以起到对品界的钉扎作用 , 从而阻止了 1 0 2 3℃ 固溶处理过程中的晶粒长大 , 仍然保持了较为细小的锻态品粒组织。叶片毛坯经 ( A ) 、 ( B ) 工艺完全热处理 , ’}l 相析出明显不同 ( 见图 3) 。 ( A ) 工艺热处理之后 , 在下基体上弥散析出直径约在 4 0 0 一 7 0 0 n m 之间的 7 , 相 , 数量约 21 % 左右。从图 3 (b) 看出 , 经

V o l . 1 5 N o . l 烟气轮机用 Was p al oy 合金叶片热处理工艺的选择 (B) 工艺热处理之后 , 存在有两种尺寸大小明显不同的丫相。其中大颗粒 , /相的直径约 3 5 o o n m , 为锻态未溶的厂相 , 在热处理过程中继续长大的粗大颗粒。在粗大夕 ,相之间 , 均匀、弥散分布有小颗粒厂相 , 直径约在 3 0 0n m 左右。洲相总量约 19 % 。图 3 叶片毛坯热处理后的丫相 F i g . 3 下 , Ph a s e a ft e r h e a t一 tr e a t i n t h e s a m Pl e s ( A ) 、 ( B) 工艺热处理后析出的洲相 , 其化学组成基本相近 , 无明显差别。 , ,相的化学组成式如下 : ( A ) 一 (N i o 9 39 C o o . o 36 C r 。 , 。2 : ) 3 2 2 ( A l o . 39 3T i o . 57 6M o 。加3 ) ( B ) 一 ( N i 。月 2 5C o o . o 3 2C r 。刀 3。 ) 3 . 2。 ( A I 。冲 2 7 T i 。石4 , M o 。刃。: ) 。 w as p al oy 合金模锻叶片毛坯经 ( A ) 、 ( B ) 工艺热处理之后组织上的主要差别归纳在表 2 之中。在分析从美国引进的 T H 一 8 5一 2 型烟气轮机 W as p al o y 合金涡轮叶片时发现 , 此叶片采用 ( B ) 工艺热处理 , 其晶粒大小与图 lb 完全一样 , 晶粒细小但不均匀 , 也保留了没有完全再结晶的锻态晶粒组织。其 , `相的析出状态也与我们的分析相同。除表 2 列外 , ( A ) 工艺的晶界 M 23 C 6 数量稍多于( B )工艺。表 2 试样经( A)和 ()B 工艺热处理后的组织 T a b l e 2 M i e r o s tr u e t u r e a ft e r h e a t t r e a mt e n t ( A ) a n d (B ) i n W a s p a l o y a l l o y b l a d e 热处理工艺晶粒尺寸大、均匀晶界 M 2 3 C 5 厂相数量 , % 下,相直径 , n m 小、均匀约 2 1 约 19 4 0 0一 7 00 ~ 3 500 认(B 少多 e 30 0 .2 4 热处理工艺选择通常用做涡轮叶片的高温合金 , 对于高温持久和蠕变性能的要求是重要的 , 因此 , 选择 ( A ) 工艺作为烟气轮机涡轮叶片 W as p al o y 合金的热处理工艺是合理的。实践表明 , 采用两种工艺的 w as p al oy 合金叶片 , 均通过了一个周期 ( 约 8 0 0 0 h) 装机运行的实际考验 , 满足了设计和使用要求 , 说明两种工艺均可选用

北京科技大学学报 19 93 N o . l 根据我国炼油厂已建成的 35 套能量回收系统的统计情况来看 : 6; , 烟气人口温度在 6 10 一 7 0 0℃ 之间。也就是说烟气轮机涡轮叶片的工作温度不超过 6 50 ℃ , 但要求工作寿命很长。在这样的工作条件下 , 虽然 ( A ) 工艺可以获得高温度下高的持久性能但并没有被充分利用 , 而 ( B ) 工艺则有利于发挥合金的使用潜力。而且合金在长周期使用过程中 , 会产生由于犷相补充析出的二次强化效应 , ( B) 工艺处理的合金有优越的塑性指标来适应长期使用后的性能变化。但是 , w w as aP lo y 合金一般 lA + iT 含量控制在 .4 4 0% 左右时 , 选用 ( B ) 工艺的固溶处理温度应适当提高 10 ℃ 左右。 3 结论 l() ( A ) 、 ( )B 两工艺均可满足烟气轮机用 w as aP lo y合金涡轮叶片的使用要求。 ( 2) 经 ( A ) 工艺处理的 w a sP al oy 合金叶片具有高的持久强度 , ( B ) 工艺处理可以获得高的瞬时拉伸性能和持久塑性。 (3 ) ( A ) 、 ( )B 工艺处理的 w as aP lo y合金 , 组织上的明显差别表现在晶粒大小和丫相析出形态不同。 (4) 由于烟气轮机涡轮叶片的工作温度较低 , 建议 w as aP lo y合金叶片选用 ( B ) 工艺热处理。参考文献 l 王迪 . 石油化工设备技术 , 19 91 , 12 (:3) 12 一 16 2 A e r o s P a e e M a t e ir a l S P e e iif e a t i o n , 5 7 0 8 E . 19 8 1 , l : 10 3 A e r o s p a e e M a t e ir a l S P e e i if e a t i o n , 5 7 0 4 C , 19 8 2 , l : 1 4 祁燕昆 . 北京科技大学金属材料科学与工程系毕业论文 , 19 91 , 6 5 R e h r e r W J P . M e t a l s , 19 7 0 , 2 2 : 3 2 6 于克敏等 . 石油化工设备技术 , 19 91 . 12( 3) : 6 一 12