700 ℃机组用Waspaloy合金高温叶片与螺栓研制

王 煜，梅林波，沈红卫

(上海电气电站设备有限公司汽轮机厂，上海 200240)

Waspaloy合金是美国在20世纪50年代研发出的γ′相沉淀硬化型高温合金，该合金在760 ℃以下具有较高的屈服强度、持久强度，以及优异的抗氧化性能。欧洲的AD700计划将其选择为高温叶片和螺栓的备选材料[1]。目前上海汽轮机厂(上汽厂)正在研制700 ℃高超超临界新材料技术，因此选择Waspaloy合金作为700 ℃高温叶片与螺栓的备选材料。叶片与螺栓作为汽轮机机组的关键零部件，其材料的制造与性能研究受到了行业内广泛的关注。

本文采用相关工艺试验的方法，重点对700 ℃汽轮机高温叶片与螺栓的备选材料，即Waspaloy合金的成分、组织、性能以及加工工艺展开研究，旨在为上汽厂700 ℃汽轮机机组的设计和制造过程提供参考。

1 材料的成分特点

Waspaloy合金基体元素为Ni、Co和Cr，合金元素Al、Ti和Mo含量均在1%以上，其他元素含量都在1%以下。Fe、Co、Cr、Mo是典型的固溶强化元素，其中Cr元素还起到抗氧化和抗腐蚀的重要作用。Al和Ti是沉淀强化元素，主要在合金中形成共格有序的A3B型金属间化合物γ′-Ni3(Al,Ti)相，达到强化合金的目的。C、B、Zr作为晶界强韧化元素，能够增加晶界结合力，强化晶界，从而提高合金高温强度[2]。

上汽厂对传统Waspaloy合金成分进行了优化，对C、Al、Ti等元素含量进行了适当的调整，并对合金优化后的化学成分使用JmatPro软件进行相图计算，结果如图1所示。

图1 合金成分优化后的热力学计算相图

从图1可以看出，经过成分优化后，Waspaloy合金的γ′相溶解温度为1 020 ℃，M23C6溶解温度为966 ℃，γ′相在700 ℃饱和析出量为22.7%，M23C6相在700 ℃下最大析出量为0.527%。

2 热处理工艺

对汽轮机高温叶片与螺栓用Waspaloy合金的热处理工艺进行优化，具体热处理工艺如下：固溶处理为1 020～1 080 ℃、4 h、水冷；稳定化处理为825～865 ℃、24 h、空冷；时效处理为760 ℃、16 h、空冷。

采用上述热处理方案对合金毛坯棒材进行性能热处理，其显微组织如图2所示，然后进行各项应用性能测试。

从图2可以看出：Waspaloy合金棒材经过性能热处理后，毛坯晶粒度在2.5级左右；γ＇析出相平均直径为60～70 nm，析出相均匀弥散地分布在基体上；晶界碳化物呈链状分布，起到提高合金高温蠕变强度的作用[3]。

(a)金相组织

(b)γ＇相

(c)晶界碳化物

表1为叶片与螺栓用Waspaloy合金经过上述热处理工艺后的室温力学性能。

表1 叶片与螺栓用Waspaloy合金棒材室温力学性能

3 应用性能

3.1 高温强度

图3为Waspaloy合金屈服强度Rp0.2与温度之间的关系，可以看出，Waspaloy合金屈服强度随着温度的升高呈现下降的趋势，但是该合金在700 ℃仍然保持较高的屈服强度。

图3 Waspaloy合金屈服强度Rp0.2与温度之间的关系

3.2 持久性能

图4为Waspaloy合金持久强度的Larson-Miller曲线，其在650 ℃、700 ℃和725 ℃，并在10万h下的持久强度预计达到380 MPa、240 MPa和200 MPa，能够满足设计需求。

图4 Waspaloy合金持久强度的Larson-Miller曲线

图5为Waspaloy合金在725 ℃、310 MPa条件下持久断裂试样变形位置横截面的扫描电镜(Scanning Electron Microscope，SEM)组织，γ＇相的平均直径仍然保持在100 nm以下，晶界碳化物仍然呈链状分布，并没有表现出膜化的倾向。该试样的持久寿命为10 605 h，断后延伸率和收缩率分别为24.68%和31.63%，表现出优异的持久塑性。

(a)γ＇相

(b)晶界碳化物

3.3 抗松弛性能

图6为Waspaloy合金在700 ℃、0.15%初始应变条件下的剩余应力-时间曲线，可以看出，Waspaloy合金在700 ℃具有较强的抗应力松弛能力。经外推计算可得，Waspaloy合金10万h以后的剩余应力为110 MPa，能够满足高温螺栓的设计需求。

图6 Waspaloy合金在700 ℃、0.15%初始应变

3.4 时效稳定性

图7为Waspaloy合金在700 ℃时效后γ′相的组织演化过程。对于Waspaloy合金而言，试样的固溶温度为1 080 ℃，γ′相完全溶解，在随后时效的过程中，基体上析出细小弥散的γ′相，析出相的平均直径为70 nm左右，如图7(a)所示。时效时间增加至3 000 h时，γ′相的析出量明显增加，平均尺寸稍微增大，如图8所示。随着时效时间延长至5 000 h，γ′相平均直径增加至80 nm以上，同时γ′相也会补充析出，如图7(d)所示，研究结果与文献[4-5]相一致。

(a)原始热处理状态

(b)1 000 h

(c)3 000 h

(d)5 000 h

图8 γ′相的平均直径与时效时间的关系

Waspaloy合金在700 ℃下不同时效时间后的室温强度变化如图9所示。从图9可以看出，随着Waspaloy合金时效时间的延长，合金的强度缓慢上升，二者在时效1 000 h后保持相对稳定。当时效时间延长至5 000 h后，与原始状态相比，屈服强度和抗拉强度并无明显变化。

图9 Waspaloy合金在700 ℃下不同时效时间后

4 Waspaloy合金螺栓试制

为了验证Waspaloy合金的螺栓加工工艺性能，上汽厂试制了M110×6×489(直径×螺距×长度，单位mm)规格大螺栓。试制螺栓经过相关检验后，其显微组织、力学性能、加工尺寸均满足相关技术要求，图10为实物图片。

图10 上汽厂研制的Waspaloy合金螺栓实物图

5 结 论

本文通过相关工艺试验方法，对高温叶片与螺栓用Waspaloy合金的拉伸强度、高温持久性能、抗松弛性能、时效稳定性进行了研究分析，并制作了M110×6×489规格螺栓实物。研究结论如下：

1)适合汽轮机叶片与螺栓使用的Waspaloy合金棒材的热处理工艺为固溶处理1 080 ℃、4 h、水冷，稳定化处理845 ℃、24 h、空冷，以及时效处理760 ℃、16 h、空冷；

2)随着温度的升高，Waspaloy合金棒材的屈服强度呈现下降的趋势；合金在700 ℃下的屈服强度不低于650 MPa；

3)根据Waspaloy合金的Larson-Miller曲线，其在700 ℃、10万h条件下的持久强度达到240 MPa；

4)700 ℃、0.15%初始应变条件下Waspaloy合金表现出优异的抗松弛性能；

5)随着700 ℃时效时间的延长，Waspaloy合金组织中的γ′相缓慢长大，屈服强度和抗拉强度在时效1 000 h后达到稳定状态；

6)上汽厂成功试制出M110×6×489规格的Waspaloy合金螺栓，其组织、力学性能和尺寸均满足相关技术要求。