高温合金材料在汽轮机高温部件上的应用

彭建强

(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨，150046)

高温合金材料在汽轮机高温部件上的应用

彭建强

(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨，150046)

文章分析了汽轮机高温部件用高温合金材料的化学成分、力学性能、物理性能，讨论了合金的应用情况，并给出了应用建议。

汽轮机，高温部件，高温合金，力学性能

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

高温合金材料具有优异的高温强度、抗氧化腐蚀性能等，广泛用于燃气轮机和航空发动机部件。随着汽轮机蒸汽参数的不断提高，高温合金材料在汽轮机高温部件上的应用也越来越广泛。高温合金材料在汽轮机上的应用最早可以追溯到1960年美国投产的Eddystone1机组，其蒸汽参数为650℃/566℃/566℃/34 MPa，其高温部件选择了大量奥氏体钢和高温合金，比如转子采用锻造Fe基高温合金 Discalloy合金 （Fe-25Ni-13.5Cr-Mo，Ti）， 叶片采用 Ni基高温合金 K42B（Ni-22Co-18Cr-TiAl），螺栓材料选用Fe基高温合金W-545等[1-2]。

目前，已经广泛用于汽轮机高温部件的高温合 金 材 料 有 GH2026、GH2901、GH2136、GH2132、GH3625、GH4080A、GH4169、GH4145、GH6783。 本文对这些合金的特点进行了概述，对合金的化学成分、力学性能、物理性能等进行了分析，讨论了合金的应用情况，并给出了应用建议。

2 合金概述

GH2026是Fe-Ni-Co-Cr基沉淀硬化型变形高温合金，综合性能优越，具有优异的抗应力松弛和抗蠕变性能，没有缺口敏感性，最高使用温度可达675℃。

GH2901是Fe-Ni-Cr基沉淀硬化型变形高温合金。 合金以亚稳的 γ’[Ni3（Ti，Al）]相进行时效强化，微量的铝抑制γ’向η（Ni3Ti）相转化。合金在650℃以下具有较高的屈服强度和持久强度，760℃以下抗氧化性能良好，长期使用组织稳定。

GH2132是国外早期发展并具有成熟使用经验的Fe-Ni-Cr基沉淀硬化型变形高温合金，采用少量的钼、钛、铝、钒和微量硼综合强化，在650℃以下具有高的屈服强度和蠕变持久强度，并具有良好的加工塑性和满意的焊接性。合金在650℃长期时效后，晶界上有G相和胞状η相析出，时效6 000 h后η相呈魏氏组织形态。

GH2136是Fe-Ni-Cr基沉淀硬化型变形高温合金，使用温度在700℃以下。该合金是在GH2132合金的基础上发展起来的，与之相比，降低了锰和硅的含量，适当提高了钛、硼和碳的含量，使合金在长期使用中降低了G相、б相等脆性相的析出倾向，提高了合金在长期使用中组织及性能的稳定性。合金具有良好的综合性能，有较好的抗氧化性，较小的线膨胀系数，易于焊接。

GH3625是Ni-Cr基固溶强化型变形高温合金，以铬、钼和铌为主要固溶强化元素，最高使用温度可达705℃。合金具有良好的拉伸强度、蠕变持久强度、疲劳强度、抗局部腐蚀（点蚀和缝隙腐蚀）性能、抗氧化性能、抗氯离子应力腐蚀开裂性能以及良好的成型性和焊接性能。

GH4169是Ni-Cr-Fe基沉淀硬化型高温合金。合金在650℃以下强度较高，具有良好的抗疲劳、抗氧化和耐腐蚀性能，以及良好的加工性能、焊接性能和长期组织稳定性。

GH4080A是Ni-Cr基沉淀硬化型变形高温合金，使用温度小于800℃。合金是最早的高温合金牌号之一，主要以加入铝、钛元素形成γ’相进行沉淀强化。合金在650～850℃范围有良好的抗蠕变和抗氧化性能。合金的冷、热加工性能良好。

GH4145是Ni-Cr基沉淀硬化型变形高温合金，主要以γ’相为时效沉淀强化相，使用温度在800℃以下。合金在980℃以下具有良好的耐腐蚀和抗氧化性能，800℃以下具有较高的强度，700℃以下具有良好的抗蠕变性能。

GH6783是Co-Ni-Fe基沉淀硬化型铁磁性抗氧化低膨胀变形高温合金，使用温度小于750℃。合金通过加入大量铝和铌元素，在时效时析出γ’[Ni3（Al，Nb）]弥散强化相与块状 β （NiAl） 相进行强化。合金在750℃可达到完全抗氧化级别，并具有优良的室温、高温力学性能、低的热膨胀系数和低密度等特性。

3 合金性能

3.1 化学成分

表1是汽轮机现有高温合金材料的化学成分。

表1 汽轮机用现有高温合金材料化学成分单位：wt%

从表1可以看出这些合金具有以下特点：

（1）合金的成分比较简单，除Mo、Nb外，合金均不含有难熔金属元素；

（2）除GH4169外，合金主要通过Ti、Al形成γ’[Ni3（Al，Ti）]进行沉淀强化；

（3）除 GH6783、 GH3625、 GH4080A 外， 合金中的Ti/Al均显著大于1，这就使得合金中的析出强化相 γ’（Ni3(Al，Ti)）变得不稳定， 使其较高温度下长期使用过程中转变为有害的η相（Ni3Ti），显著降低合金的拉伸强度和蠕变持久强度。所以这些合金的使用温度均不超过650℃。

3.2 力学性能

表2是合金的室温拉伸性能、硬度和持久性能。图1是GH3625不同温度下的持久曲线，图2是GH3625合金在不同温度下的拉伸性能。

图1 GH3625合金的持久强度曲线[3]

图2 GH2026合金在不同温度下的拉伸性能

表2 合金的室温拉伸性能、硬度和持久性能

从表2和图1～2可以看出：

（1）除 GH4169 外，合金的屈强比很低，均在 0．6左右，与碳钢相近，说明合金具有优异的塑性；

（2）除GH3625、GH4080A外，合金短时持久考核温度均为650℃，说明合金的使用温度较低；

（3）GH3625和GH4080A的短时持久考核温度较高，说明两种合金可以用到较高的温度，GH3625可以使用到705℃（如图1所示）；

（4）GH2026具有优异的高温拉伸性能，特别是其屈服强度下降非常缓慢，到750℃时，屈服强度仅降低100 MPa；但是，在450～600℃合金的塑性最差，在550℃达到最低值，因此该合金不适合在此温度范围内使用。

3.3 线膨胀系数

汽轮机大部分部件采用合金钢和9%-12%Cr不锈钢制造，这些材料在室温至600℃的线膨胀系数在（12～14.5）×10-6/℃。 因此，为了保证高温合金部件与钢制部件在高温下具有较好的间隙配合，提高机组的整体效率，汽轮机用高温合金材料的线膨胀系数必须与合金钢及9%-12%Cr不锈钢相当。

图3是各种汽轮机用高温合金材料在不同温度下的线膨胀系数。

图3 合金的线膨胀系数

从图3可以看出：

（1）GH2132和GH2136的线胀系数最高，且显著高于合金钢和9%-12%Cr不锈钢，不适合用于制造汽轮机部件；

（2）GH6783属于低膨胀系数合金，其线膨胀系数最低，且显著低于合金钢和9%-12%Cr不锈钢，也不适合用于制造汽轮机部件；

（3）GH2026、 GH2901、 GH3625、 GH4169、GH4080A、GH4145的线膨胀系数与合金钢和9%-12%Cr不锈钢很接近，尤其是在600℃以上，比较适合用于汽轮机部件；特别地，GH2026和GH3625的线胀系数最小，在550℃以上，两种合金基本一致。

4 合金应用情况

合金的应用情况如表3所示。

表3 合金的应用情况

GH2026合金在550℃左右的塑性较差，而通常亚临界蒸汽温度为538℃，超临界蒸汽参数为566℃。因此，GH2026不适合用于亚临界和超临界汽轮机部件。一个典型案例是，某亚临界机组高中压中分面螺栓均采用GH2026制造，不但造成机组成本很高，螺栓的实际运行情况也一般。因此在后续机组生产时，将其全部改为抗蠕变性能和松弛性能优异的合金钢材料，不但大大降低了机组成本，且实际运行情况良好。该合金在600℃以上更能发挥其高温性能优异、线膨胀系数低的优势。

GH4080A广泛用于国内外超临界、超超临界汽轮机动叶片、紧固件等，且其高温性能优异，线胀系数小，完全可以在更高参数的汽轮机中应用，比如650℃等级超超临界汽轮机。

GH3625具有优异的高温性能，且线胀系数非常低，可以考虑将其用于更高参数的超超临界汽轮机，比如国内外广泛研发的700℃等级先进超超临界汽轮机。

GH4145和GH4169在亚临界、超临界、超超临界汽轮机及联合循环汽轮机中也有较为广泛的应用。但是，由于GH4169合金有着较强的缺口敏感性，GH4145存在应力腐蚀问题，且两种合金均为镍基合金，成本较高，因此将其用于阀杆和紧固件时应慎重考虑。

GH2901具有优异的高温性能，且其为铁镍基高温合金，成本相对较低，可以推广其在超超临界汽轮机阀杆部件的应用。

GH2132和GH2136合金的线膨胀系数太大，GH6783的线胀系数太小，虽然它们在汽轮机密封环、汽封弹簧片、紧固件上有应用业绩，但是考虑到更好的部件间隙配合，更好地提高机组的效率，不建议在汽轮机上使用这些合金。

5 总结

高温合金材料具有优异的高温性能，已经广泛用于航空发动机和燃气轮机部件。有些高温合金材料也已经广泛应用于各类汽轮机高温部件中。然而，由于汽轮机部件主要采用合金钢和9%-12%Cr不锈钢制造，采用高温合金制造汽轮机部件时，必须考虑其与钢制部件的间隙配合问题。本文分析了汽轮机用高温合金材料的各项性能，讨论了合金的应用情况，总结如下：

（1）考虑到高温合金材料在600℃以下存在较低的塑性等问题，建议在蒸汽温度不低于600℃的汽轮机中应用高温合金材料；

（2）GH2026、GH3625 和 GH4080A 具有优异的各项性能，且线膨胀系数与钢非常接近，可以考虑将其应用于更高参数的超超临界汽轮机，比如650℃和700℃等先进超超临界汽轮机；

（3）GH4169合金有着较强的缺口敏感性，GH4145存在应力腐蚀问题，且两种合金均为镍基合金，成本较高，因此将其用于阀杆和紧固件时应慎重考虑；

（4）GH2901具有优异的高温性能，且其为铁镍基高温合金，成本相对较低，可以推广其在超超临界汽轮机阀杆部件的应用；

（5）GH2132和GH2136合金的线膨胀系数太大，GH6783的线胀系数太小，虽然它们在汽轮机密封环、汽封弹簧片、紧固件上有应用业绩，但是考虑到更好的部件间隙配合，更好地提高机组的效率，不建议在汽轮机上使用这些合金。

[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]中国金属学会高温材料分会．中国高温合金手册:上卷变形高温合金焊接用高温合金丝［M］．北京:中国质检出版社 中国标准出版社,2012.

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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

彭建强 （1980-），男，研究生，高级工程师，现从事汽轮机材料研究工作。