煙氣輪機渦輪盤和葉片用WASPALOY合金研究

周井華

摘要：本研究針對煙氣輪機渦輪盤和葉片用WASPALOY合金進行研究的合金的成分、合金的理化特性、冶煉以及加工等方面進行對此合金材料的闡述，擬通過對合金的特性進行全面的分析，最終提出相應的改進意見，為煙氣輪機渦輪盤和葉片用WASPALOY合金的研究技術有一些指導建議，為其發展提供一些幫助。

關鍵詞：煙氣輪機；渦輪盤；葉片

研究背景

隨著我國經濟的不斷發展，在這樣的大背景下，工業也得到了長足的發展，人們的生活質量也在不斷地提高，節能環保的呼聲也在逐漸的升高。目前石油系統對都將裂化過程中產生的熱量利用煙氣膨脹裝置發電，從而做到再利用，最終做到了適應環保安全同時也提高了石油系統的經濟效益。煙氣輪機是一般大多數煉油工廠利用裂解而產生預熱來發電的重要裝置。然而煙氣輪機中的渦輪盤以及葉品是整個煙氣輪機系統的核心部件。煉油過程中催化裂化裝置產生的高溫煙氣條件非常惡劣，工作環境往往是非常的高溫環境，這樣就會加速煙氣輪機的內部構件老化，因此煉油廠對于煙氣輪機的要求就要相對較其他機器高。同時煉油廠產生的煙氣中常常含有大量的S、C等元素，在高溫條件下與水和氧氣進行化學反應，很容易產生SO2、SO3、H2S、CO等有害氣體，這些具有腐蝕性的氣體在煙氣輪機中高速流動，產生了強腐蝕性，會對煙氣輪機造成損害，降低其使用壽命[1]。一旦煙氣輪機出現問題，后果將不堪設想。因此，在對煙氣輪機設計過程中，對煙氣輪機的渦輪盤以及葉片的設計就成了非常重要的關鍵技術。WASPALOY目前已經廣泛的應用帶了煙氣輪機的渦輪盤以及渦輪葉片的制備中來，并且經過長期的時間驗證，結果發現WASPALOY材料的渦輪盤以及葉片是非常可靠、非常安全的。

1.WASPALOY合金的合金元素作用以及合金的化學成分

國際上標準的WASPALOY合計的化學成分主要包含了C、P、Co、Al、Fe、Mn、S、Mo、B、Cu、Si、Cr、Ti、Zr、Ni，其中Ni作為基體占據了合金的50%含量，其次為Cr占據了20%，Co排列在第三位，占據了15%左右，其余的元素均呈現出微量的存在。目前隨著合金技術的不斷創新以及發展，尤其是在WASPALOY的出現，目前WASPALOY合金技術已經發展到了一定領域，目前的合金成分也發生了巨大的變化，由于不同的冶煉方式所需要的合金含量成分也是不一致的，最終導致了WASPALOY合金技術已經更加的完善，更加的耐高溫[2]。

2.WASPALOY合金中的平衡析出規律以及合金中的析出相

WASPALOY合金中的化學成分對于合金平衡相規律的影響主要體現在了從熱學的角度上來說，可以計算材料中的Gibbis的最小自由能從而來得到材料中的可能的析出平衡相，同時通過Thermo-Calc軟件還可以計算出各個析出相相對應的析出規律。本研究經過Thermo-Calc軟件依據基體Ni元素的數據庫最終對合金中其他元素進行了熱力學計算，最終的結果顯示，合金中的典型化學成分與傳統的WASPALOY化學成分結果并不是一致的，本研究的計算結果為（wt%）：1Fe，1.5Al，4Mo，19.2Cr，3.9Ti，0.23C，作為基質Ni的含量占據了主導地位。最終本研究通過各個元素的含量通過熱力學平衡相相關公式計算，最終結果得出了WASPALOY合金中各個元素各相析出量與材料本身溫度的非線性關系。

合金在經過高溫如處理過后，面心的立體結構就變成了合計的Ni元素，由于經過高溫處理后，WASPALOY合金中的大多數元素均變成了固溶體狀態，因此就可以根據固溶體狀態中的元素的含量以及種類的不同計算出合金的點陣常數，本研究結果經過相應的計算得出了合金的點陣常數在0.371～0.411nm的范圍之內。由于溫度的不同，因此各個元素的r相內相應的溶解度也是不一樣的，此外溶解度的變化同時還會相應的析出相與碳化物發生反應。因此為了可以更好地提高WASPALOY合金材料的耐高溫強度，在制造合金的過程中應該首先考慮最大限度的提高Mo相關的難容元素在g相中的比例，最終可以最大限度的提升WASPALOY合金材料的耐高溫程度，此外，為了保證合金材料中的個元素之間的平衡，在最大限度的增加Mo元素的含量過程中同時還要考慮相應的降低g相中的Cr含量。最終是合金材料保持一個平衡的狀態。

3.WASPALOY合金材料的冶煉方式

自50年代的初期，WASPALOY合金被研制出來之后，由于技術剛剛被研發，而且相應的技術還不夠成熟，起初的冶煉過程是在外界進行的，最終生產出來的WASPALOY合金材料的耐高溫程度以及相應的性能均無法與現今的合金材料相比擬。隨著WASPALOY合金技術的不斷更新發展，目前的WASPALOY合金冶煉的場所已經從原來的大氣中冶煉方式轉移到了真空自耗重熔配合真空感應的加工方法，這種方法對于合金的耐高溫性起到了大大提高的作用，致使目前依然又被WASPALOY制造技術所采用[3]。這種技術完美的解決了材料在冶煉的過程中出現不均勻的現象以及材料中一些難容的元素的問題。

4.結論與討論

自從WASPALOY合金材料出現到目前為止已經有半個世紀之久，由于WASPALOY合金材料的特殊性，目前已經被廣泛的應用到了煙氣輪機渦輪盤和葉片的制備過程中來，并且已經取得了非常好的效果，收到了社會各界的高度認可以及高度評價。但是，隨著我國煉油技術的不斷創新、不斷發展，對于煙氣輪機渦輪盤和葉片的制備材料的要求也在不斷地增加，因此為何得到更好的發展WASPALOY合金技術也同時需要不斷地變革，目前的合金制造的變革主要集中在工藝上的發展，目的是使合金材料得到不斷地純化。總而言之，目前的WASPALOY合金材料正在不斷地發展改進從而適應社會的需求。

參考文獻

[1] 郝傳龍， 董建新， 張麥倉， 等. 某煙氣輪機動葉片榫齒斷裂原因分析[J]. 失效分析與預防， 2006， 1（4）： 34-37.

[2] 洪成淼， 董建新， 張麥倉， 等. GH4738 合金煙氣輪機渦輪盤組織和力學性能研究[J]. 動力與能源用高溫結構材料——第十一屆中國高溫合金年會論文集， 2007.

[3趙雙群， 謝錫善. WASPALOY 合金長期時效過程中的組織演變和性能變化[J]. 機械工程材料， 2006， 30（10）： 62-64.]