《F级重型燃气轮机压气机叶片材料的国产化研究_潘洪泗.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《F级重型燃气轮机压气机叶片材料的国产化研究_潘洪泗.doc（6页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、DOI:10.13707/ki.31-1922/th.2012.04.014 第 41 卷 第 4 期 热 力 透 平 Vol 41 No 4 2012 年 12 月 T HERM A L TURB INE Dec 2012 F 摘 级 重 型 燃 气 轮 机 压 气 机 叶 片 材 料 的 国 产化 研 究 潘洪泗 王伟莉 ， ， 董士良 ， 罗 巍 （ 上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，上海 200240） 要： 分析了 F 级重型燃气轮机压气机叶片的材料 、 工艺特性，通过试验研究，获得了叶片材料最佳的冶炼 、 锻造 、 热处理工艺 。 批量生产的检验结果表明，产品满足材料技术要求，
2、实现了压气机叶 片材料的国产化 。 关键词： 燃气轮机 压 气机叶片 国产化； ； ； 马氏体不锈钢 中图分类号 ： TK475 文献标识码： 文章编号： 1672 5549（ 2012） 04 0264 04 Research on Material Localization for Compressor Blade of F Class Heavy Gas Turbine PAN Hong-si， WANG Wei-li ， DONG Shi-liang， LUO Wei （ Shanghai Electric Power Generation Equipment Co ， Ltd ， S
3、hanghai Turbine Plant， Shanghai 200240， China） Abstract： After analyzing material and process character of compressor blades for F class heavy gas turbine， the optimal processing parameters of steel making， forging and heat treatment for the blade material are obtained by experimental research The t
4、est results of series production show that the materials can meet the technical requirements， and the localization of material for compressor blades is proved to be successful Key words： gas turbine ； compressor blade and vane； localization； martensite stainless steel ， ， ， 压气机作为把 燃气轮机中动能转化为热能的 与火电机
5、组不同 在正常运行时 进气温度较低 重要部件 ， 其叶片不仅承受高载荷作用 ， 还承受离 心力 、 扭转力的循环作用 ， 所以叶片材料既要有高 的强度指标 ， 还要有好的韧性指标 。 目前国内叶 片钢难以满足压气机叶片的材料技术要求 ， 故压 气机叶片钢的国产化具有重大意义 。 本文分析了 叶片钢的材料特征 ， 并通过一系列的试验研究 ，获 得了压气机叶片钢最佳的冶炼 、 锻造 、 热处理工艺 参数 ， 给批量生产提供了很好的工艺指 导 。 批量 生产的检验结果表明 ， 压气机国产叶片钢满足技 术要求 。 1 F 级燃气轮机压气机叶片材料的 技术要求 马氏体不锈钢因具有较好的热强性 、 抗氧化
6、 性 、 减振性及抗腐蚀性而广泛应用于制造汽轮机 叶片 ， 因此 ， 重型燃气轮机压气机叶片选材与以往 的火电机组叶片用钢相似 ， 但因燃气轮机的工况 收稿日期： 2012 03 13 修订日期： 2012 10 11 前几级叶片接近大气温度 ， 后几级叶片最高可达 450 ， 并且机组运行启停频繁 ， 所以要求叶片材 料具有良好的韧性性能和较高的疲劳强度 。 表 1 列出了某 F 级燃气轮机压气机叶片使用 的材料牌号 。 压气机前 4 级动 、 静叶片 ， 包括进口 导叶 ， 为模锻成形 ， 其余叶片为型 钢直接加 工成 型 。 同一种材料 ， 不论由模锻成形还是由型钢直 接加工 ， 材料的
7、性能要求相同 。 表 1 压气机叶片材料牌号 材料牌号 叶片 叶片毛坯形式 X4CrNiMo16 5 1 动叶 3、 4 级 / 静叶 1 4 级 / 模锻叶片 进口导叶 动静叶 5 10 级 扁钢 出口导叶 作者简介： 潘洪泗 （ 1979 ） ， 男 ， 毕业于西北工业大学 ， 工学硕士 ， 工程师 ， 现从事汽轮机 、 燃气轮机叶片材料的应用研究 。 264 F 级重型燃气轮机压气机叶片材料的国产化研 究 1 1 0Cr17Ni4Cu4Nb， 热力透平 化学成分 和 但在化学成分的控制上 要求 X20Cr13 和 X22CrMoV12 1 是典型 的马氏 体不锈钢 ； X5CrNiCuN
8、b16 4 是沉淀硬化型马氏 体不锈钢 ， 分别类似于国产牌号 2Cr13、2Cr12MoV 2 更严格 ， 如 C、 Mn、 Si 的成分区间更窄 ， P、 S 的含量 更低 ， 主 要化学成分的差异见表 2。 1 2 力学性能要求 表 化学成分的差异 材料牌号 C Mn Si P S X20 Cr13 2Cr13 X22CrMoV12 1 2 Cr12 MoV X5CrNiCuNb16 4 0Cr17Ni4 Cu4 Nb 0 17 0 22 0 16 0 25 0 18 0 24 0 18 0 23 0 05 0 055 0 30 0 80 1 00 0 30 0 80 0 30 0 80
9、 0 30 0 60 1 00 0 10 0 60 1 00 0 10 0 50 0 30 0 50 0 10 0 35 0 50 0 030 0 035 0 020 0 030 0 025 0 035 0 020 0 030 0 020 0 030 0 005 0 030 1 2 1 表 室温力学性能 3 为压 气机 叶片 材料 的室 温力 学性 能 ， 强度要求的前 提下 ， 尽 量获 取最好 的韧 性 。 这 个特点可体现在对脆韧 转变温度 FA TT 的要求 从 表 中可 以看 出 ， 强度 要 求 较高 ， 而 且在 满 足 上 。 材料牌号 Rp0 2 2 表 3 Rm 2 室温力
10、学性能要求 A5 Z kV2 HBW X5CrNiCuNb16 4 X4 CrNiMo16 5 1 X20 Cr13 X22CrMoV12 1 1 2 2 FATT50 要求 N /mm 930 1 000 700 600 700 N/mm 1 040 900 1 050 800 950 900 1 050 % 13 17 15 11 1 4 % 50 50 50 35 晶间断裂率及其测定 J 100 80 20 20 295 335 265 280 265 310 由于压气机的工作介质是空气 ， 进气端的叶 ， 材料要求晶间断裂率不 应超过 ： 10% 。 晶间 ， 片工作温度接近大气温度
11、所以要求材料在较低 断裂率测定方法 取室温下进行冲击试验的试样 温度下仍保持较好的韧性 。 特 别是在寒冷的北方 地区 ， 温度更低 ， 所以 ， 在叶片设计及材料选择上 ， 作 为 前 几 级 动 叶 片 ， X5CrNiCuNb16 4 和 X4CrNiMo16 5 1 的 FATT50 要求 分别 为 25 和 50 ； 而作为后几级的叶片 ， X20Cr13 50 30 和 25 。 1 2 3 横向性能 根据引进技术的设计要求 ， 要求叶片材料的 力学性能尽可能各向同性 ， 所以要求材料在纵横 向性能的差异不应超过 10% 。 这个要求非常高 ， 对于规格越大的叶片 其指标越难达到
12、。 1 3 微观组织要求 X20Cr13、 X22CrMoV12 1 晶粒度 、 夹杂物和 铁素体含量的要求与 GB8732 的规定大同小 异 ； X5CrNiCuNb16 4 和 X4CrNiMo16 5 1 均 要求较高的纯净度 ， 而且 铁素体含量也比国 产 0Cr17Ni4Cu4Nb 少得多 ， 材料要求分别不超过 1% 和 5% 的含量 。 用扫描电子显微镜 （ SEM ） 观察试样断口 ， 在适当 放大倍数的视场下 ， 测量断口的晶间断裂率 。 2 工艺与性能 2 1 钢的冶炼 从技术要求看出 ， 叶片材料在满足强度条件 的情况下 ， 要求更好的韧性 ， 如 FATT 尽可能低 ，
13、 晶间断裂 率要求小于 10% 。 这不仅要求 材料具 有细小的晶粒度 低的 ， 铁素体含量 ， 均匀无偏 析的组织 ， 而且必须有较高的纯净度 ， 即夹杂物含 量少 、 尺寸小 、 分布弥散 。 以往国内材料按常规工 艺制造 ， 纯净 度基 本达 到要 求 ， 但 质量 不稳 定 ， FATT 和晶间断裂率的达标率较低 。 所以在燃气 轮机叶片国产化过程中 ， 借鉴国外对产品的要求 ， 在引进 、 消化 、 吸收的基础上进行充分研究 ； 在冶 炼过程中 ， 对合金成分及夹杂物的控制 ， 进行了工 艺研究试验 。 由于 12% Cr 钢的 Cr 含量高 ， 合金 元素较多 ， 冶炼容易造成偏析
14、 ； 而且 ， 在电炉冶炼 X22CrMoV12 1 FATT ， 265 第 4 期 ， ， ， ， F 级重型燃气轮机压气机叶片材料的国产化研究 ， 的过程中 杂质元素的带入不可避免 所以 电炉 等 通过钢 渣反应和高温气化可以有效地去除 冶炼后进行电渣重熔 ， 使钢水得到二次精炼 、 组织 均匀的同时 ， 钢中有害元素 ， 如硫 、 铅 、 锑 、 铋 、锡 提高了材料的纯净度 。 表 4 为各种材料在不同熔 炼炉号的夹杂物等级统计数据 。 材料牌号 X5CrNiCuNb16 4 表 4 统计炉批 No 1 材料夹杂物水平的批量生产统计数据 夹杂物等级 A、 B、 C、 D 技术要求 1
15、 0 ， 1 5 No 2 No 1 细系 细系 D D 型 型 1 0 1 0 级 级 型粗系不超过 级 细系不超过 级 X4 CrNiMo16 5 1 X20 Cr13 X22 CrMoV12 1 No 2 No 3 No 4 No 1 No 2 No 3 No 1 No 2 No 3 细系 D 型 1 5 级 细系 D 型 1 0 级 细系 D 型 1 0 级 细系 D 型 1 0 级 细系 D 型 1 0 级 细系 D 型 1 5 级 细系 D 型 1 0 级 细系 D 型 1 5 级 细系 D 型 1 0 级 A、 B、 C、 D 型粗系不超过 1 5 级 ， 细系不超过 2 5 级
16、 A、 B、 C、 D 型粗系不超过 1 5 级 细系不超过 ， 2 5 级 A、 B、 C、 D 型粗系不超过 1 5 级 ， 细系不超过 2 5 级 所以 ， 经电渣重熔生产的钢材质量和性能可 横向性能 纵向性能 100% 纵向性能 以得到有效的改善 ， 钢的低温 、 室温和高温下的塑 性和冲击韧性增强 。 2 2 热加工工艺 表 5 纵横向拉伸性能 Rp0 2 Rm A Z 为减少材料性能的各向异性 ， 满足纵横向性 材料牌号 炉批 取样方向 横向 N /mm2 692 N/mm2 863 % 20 8 % 60 2 能差异不超过10% 以及 FATT 的要求 ， 叶片锻造 前根据叶片毛
17、坯大小选用合适的圆钢尺寸 ， 以达 到足够的锻造比 。 在出坯时 ， 进行反复镦拔 ， 充分 锻透 ， 使材料组织均匀 ， 晶粒细化 ， 在提高材料强 X20Cr13 1 2 纵向 差别百分比 横向 纵向 % 701 1 28 690 687 856 0 82 866 865 21 2 1 89 20 6 21 2 61 7 2 43 60 3 60 2 度的同时 ， 也改善了材料的韧性 ， 达到较好的综合 力学性能 。 X20Cr13 批量生产的统计数据表明 ， 增加锻件的锻造比 ， 可提高材料的韧性 ， 从而降低 FATT， 如图 1 所示 。 表 5 为 X20Cr13 和 X22CrM
18、oV12 1 的横向拉伸性能试验结果 其中也对纵横向差异 ， 进行了计算和统计 ， 计算公式如下 ： X22Cr MoV12 1 3 1 2 3 差别百分比 % 横向 纵向 差别百分比 % 横向 纵向 差别百分比 % 横向 纵向 差别百分比 % 横向 纵向 差别百分比 % ， 0 44 682 683 0 15 775 768 0 91 774 764 1 31 769 777 1 03 0 12 843 842 0 12 936 924 1 3 931 926 0 54 931 924 0 76 2 83 188 20 6 19 178 6 74 188 188 0 176 18 2 22
19、0 17 60 62 1 3 38 55 4 54 1 2 4 57 1 54 8 4 2 53 7 53 9 0 37 ， 从表中可以看出 这两种材料经改锻后 向拉伸性能比较均 匀 满足技术要求 ， 。 2 3 热处理工艺 X20Cr13、 X22CrMoV12 1 纵横 细系 D 型 1 0 级 ， ， 是比 较常用 的叶 片钢 热处理工艺也比较成熟 但作为压气机叶片 图 1 X20Cr13 锻造比与冲击韧性 的关系 用材 ， 这些材料如果按照一般的热处理经 验 ， 只要 满足冲击韧性的下限水平20J 即可 ， 但这样无法 266 F 级重型燃气轮机压气机叶片材料的国产化研究 满足 FAT
20、T 的要求 。 从大量的热处理工艺试验结 果来看 ， X20Cr13 要满足 FATT 的要求 ， 冲击吸收 功不能低于 35J， 图 1 表明了这个趋势 。 所以 ， 为 了兼顾强度和韧性的要求 ， 必须把这两种材料的 淬火温度和回火温度调到一个最佳的匹配关系 ， 以满足强度和韧性的综合要求 。 X4CrNiMo16 5 1 和 X5CrNiCuNb16 4 作 为新钢种 ， 由于碳含量低并含有适当的镍含量 ， 材 料 本 身 就 显 示 出 良 好 的 韧 性 和 塑 性 。 但 X4CrNiMo16 5 1 屈强比较大 ， 屈服强度和抗拉 强度比较接近 ， 热处理温度范围比较窄 ， 需要
21、制定 热力透平 合 理 的 热 处 理 工 艺 以 满 足 技 术 要 求 。 X5CrNiCuNb16 4 在淬火 时容易存 在残余奥 氏 体 ， 使大批量生产中 容易出现强度偏 低 的情况 。 为避免残余奥氏体 ， 该材料在淬火时一定要有适 当的冷却速度 ， 并需要冷却到室温以下 ， 然后进行 调整热处理 ， 这样可使残余奥氏体充分的转变成 马氏体 ， 从而提高材料强度 。 通过大量的试验研究 ， 获得了适合于压气机 叶片用钢批量生产的热处理工艺参数 。 表 6 为部 分压气机叶 片材料最终热处 理后的纵向力 学性 能 。 材料牌号 试样 Rp0 2 2 表 6 Rm 2 纵向力学性能 A
22、5 Z kV2 HBW FATT X5CrNiCuNb16 4 X4CrNiMo16 5 1 X20Cr13 X22CrMoV12 1 2 4 模锻件 1 模锻件 2 模锻件 1 模锻件 2 模锻件 1 模锻件 2 扁钢 1 扁钢 2 扁钢 3 扁钢 4 扁钢 1 扁钢 2 扁钢 3 扁钢 4 N /mm 956 992 857 842 720 679 689 689 666 675 768 764 777 784 N/mm 1000 1019 911 912 851 846 858 863 846 843 924 926 924 950 % 18 4 18 0 22 21 22 28 19
23、20 19 20 18 19 18 18 % 68 4 69 5 68 71 66 70 63 61 60 61 54 55 54 59 159 164 186 194 51 65 28 26 32 37 27 32 30 44 J 162 174 186 201 69 80 32 29 43 39 30 32 31 46 172 181 187 208 75 105 34 32 45 44 31 33 35 47 313 321 290 292 263 260 269 267 270 269 291 288 291 302 40 40 80 80 13 11 29 7 29 8 22 6 2
24、6 1 21 4 18 7 24 7 24 材料晶间断裂率分析 压气机叶片材料有晶间断裂率不超过 10% 的 指标要求 。 而这个指标在以往的汽轮机叶片材料 ， 包括国内行业标准 、 国外同行业的材料标准上从未 3 结 论 遇见过 测试方法在国内也未建立过 ， ， 缺乏相关经 ， 通过燃气轮机压气机叶片钢材料的国产化试 、 、 验 。 所以 ， 需要研究这一项指标的测量方法 ， 更重 要的是 ， 对这一指标的考核目的和影响因素进行系 统的研究 。 在对不同工艺 不同温度下的冲击试样 、 进行断口形貌和微观组织的研究后 我们建立了晶 ， 间断裂率的测量方法 。 晶间断裂率的影响因素初 步分析有
25、： （ 1） 材料的晶间断裂率对冲击温度比较 敏感 在室温范围内的温度变化也会影响晶间断裂 ， 率的大小 ， 所以冲击试验过程中温度的控制尤其重 要 ； （ 2） 材料发生晶间断裂 ， 一般情况下 ， 是由于晶 界强度不够造成的 这与晶界上碳化物的分布 ， 、 大 小 、 形状以及 是否 存在 有害 元素 都有 密 切的 关 系 ， 这些因素都比较综合地反映了材料的 冶 炼 、 锻造和热处理工艺水平和工艺实际控制情况 。 制 对国产燃气轮机叶片用钢的冶炼 热加工 热处理 工艺以及材料测试试验技术进行了全面的试验研究 ， 顺利完成了满足设计要求的材料国产化试制 ， 并进行 了若干批次的批量生产
26、实现了燃气轮机压气机叶片 ， 钢的国产化制造 ， 制造水 平及检测能力达到国际先进 水平 在引进国外技术的同时 对国外燃气轮机压气 ； ， 机叶片材料技术进行了更深一步的分析研究 ， 燃气轮 机压气机叶片钢的国产化制造研究工作对我国燃气 轮机事业的新发展具有重大的支持作用 。 参考文献： 1 S K Bhambri Intergranular Fracture in 13 wt% Chromium Martensitic Stainless Steel J Journal of Materials Science， 1986， 21： 1741 1746 2 S P Lynch Mechanisms of Intergranular Fracture M Switzerlant： Materials Science Forum， 1989， 46： 1 24 267 1， 2