700 ℃機組用Waspaloy合金高溫葉片與螺栓研制

王 煜，梅林波，沈紅衛

(上海電氣電站設備有限公司汽輪機廠，上海 200240)

Waspaloy合金是美國在20世紀50年代研發出的γ′相沉淀硬化型高溫合金，該合金在760 ℃以下具有較高的屈服強度、持久強度，以及優異的抗氧化性能。歐洲的AD700計劃將其選擇為高溫葉片和螺栓的備選材料[1]。目前上海汽輪機廠(上汽廠)正在研制700 ℃高超超臨界新材料技術，因此選擇Waspaloy合金作為700 ℃高溫葉片與螺栓的備選材料。葉片與螺栓作為汽輪機機組的關鍵零部件，其材料的制造與性能研究受到了行業內廣泛的關注。

本文采用相關工藝試驗的方法，重點對700 ℃汽輪機高溫葉片與螺栓的備選材料，即Waspaloy合金的成分、組織、性能以及加工工藝展開研究，旨在為上汽廠700 ℃汽輪機機組的設計和制造過程提供參考。

1 材料的成分特點

Waspaloy合金基體元素為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是典型的固溶強化元素，其中Cr元素還起到抗氧化和抗腐蝕的重要作用。Al和Ti是沉淀強化元素，主要在合金中形成共格有序的A3B型金屬間化合物γ′-Ni3(Al,Ti)相，達到強化合金的目的。C、B、Zr作為晶界強韌化元素，能夠增加晶界結合力，強化晶界，從而提高合金高溫強度[2]。

上汽廠對傳統Waspaloy合金成分進行了優化，對C、Al、Ti等元素含量進行了適當的調整，并對合金優化后的化學成分使用JmatPro軟件進行相圖計算，結果如圖1所示。

圖1 合金成分優化后的熱力學計算相圖

從圖1可以看出，經過成分優化后，Waspaloy合金的γ′相溶解溫度為1 020 ℃，M23C6溶解溫度為966 ℃，γ′相在700 ℃飽和析出量為22.7%，M23C6相在700 ℃下最大析出量為0.527%。

2 熱處理工藝

對汽輪機高溫葉片與螺栓用Waspaloy合金的熱處理工藝進行優化，具體熱處理工藝如下：固溶處理為1 020～1 080 ℃、4 h、水冷；穩定化處理為825～865 ℃、24 h、空冷；時效處理為760 ℃、16 h、空冷。

采用上述熱處理方案對合金毛坯棒材進行性能熱處理，其顯微組織如圖2所示，然后進行各項應用性能測試。

從圖2可以看出：Waspaloy合金棒材經過性能熱處理后，毛坯晶粒度在2.5級左右；γ＇析出相平均直徑為60～70 nm，析出相均勻彌散地分布在基體上；晶界碳化物呈鏈狀分布，起到提高合金高溫蠕變強度的作用[3]。

(a)金相組織

(b)γ＇相

(c)晶界碳化物

表1為葉片與螺栓用Waspaloy合金經過上述熱處理工藝后的室溫力學性能。

表1 葉片與螺栓用Waspaloy合金棒材室溫力學性能

3 應用性能

3.1 高溫強度

圖3為Waspaloy合金屈服強度Rp0.2與溫度之間的關系，可以看出，Waspaloy合金屈服強度隨著溫度的升高呈現下降的趨勢，但是該合金在700 ℃仍然保持較高的屈服強度。

圖3 Waspaloy合金屈服強度Rp0.2與溫度之間的關系

3.2 持久性能

圖4為Waspaloy合金持久強度的Larson-Miller曲線，其在650 ℃、700 ℃和725 ℃，并在10萬h下的持久強度預計達到380 MPa、240 MPa和200 MPa，能夠滿足設計需求。

圖4 Waspaloy合金持久強度的Larson-Miller曲線

圖5為Waspaloy合金在725 ℃、310 MPa條件下持久斷裂試樣變形位置橫截面的掃描電鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)組織，γ＇相的平均直徑仍然保持在100 nm以下，晶界碳化物仍然呈鏈狀分布，并沒有表現出膜化的傾向。該試樣的持久壽命為10 605 h，斷后延伸率和收縮率分別為24.68%和31.63%，表現出優異的持久塑性。

(a)γ＇相

(b)晶界碳化物

3.3 抗松弛性能

圖6為Waspaloy合金在700 ℃、0.15%初始應變條件下的剩余應力-時間曲線，可以看出，Waspaloy合金在700 ℃具有較強的抗應力松弛能力。經外推計算可得，Waspaloy合金10萬h以后的剩余應力為110 MPa，能夠滿足高溫螺栓的設計需求。

圖6 Waspaloy合金在700 ℃、0.15%初始應變

3.4 時效穩定性

圖7為Waspaloy合金在700 ℃時效后γ′相的組織演化過程。對于Waspaloy合金而言，試樣的固溶溫度為1 080 ℃，γ′相完全溶解，在隨后時效的過程中，基體上析出細小彌散的γ′相，析出相的平均直徑為70 nm左右，如圖7(a)所示。時效時間增加至3 000 h時，γ′相的析出量明顯增加，平均尺寸稍微增大，如圖8所示。隨著時效時間延長至5 000 h，γ′相平均直徑增加至80 nm以上，同時γ′相也會補充析出，如圖7(d)所示，研究結果與文獻[4-5]相一致。

(a)原始熱處理狀態

(b)1 000 h

(c)3 000 h

(d)5 000 h

圖8 γ′相的平均直徑與時效時間的關系

Waspaloy合金在700 ℃下不同時效時間后的室溫強度變化如圖9所示。從圖9可以看出，隨著Waspaloy合金時效時間的延長，合金的強度緩慢上升，二者在時效1 000 h后保持相對穩定。當時效時間延長至5 000 h后，與原始狀態相比，屈服強度和抗拉強度并無明顯變化。

圖9 Waspaloy合金在700 ℃下不同時效時間后

4 Waspaloy合金螺栓試制

為了驗證Waspaloy合金的螺栓加工工藝性能，上汽廠試制了M110×6×489(直徑×螺距×長度，單位mm)規格大螺栓。試制螺栓經過相關檢驗后，其顯微組織、力學性能、加工尺寸均滿足相關技術要求，圖10為實物圖片。

圖10 上汽廠研制的Waspaloy合金螺栓實物圖

5 結 論

本文通過相關工藝試驗方法，對高溫葉片與螺栓用Waspaloy合金的拉伸強度、高溫持久性能、抗松弛性能、時效穩定性進行了研究分析，并制作了M110×6×489規格螺栓實物。研究結論如下：

1)適合汽輪機葉片與螺栓使用的Waspaloy合金棒材的熱處理工藝為固溶處理1 080 ℃、4 h、水冷，穩定化處理845 ℃、24 h、空冷，以及時效處理760 ℃、16 h、空冷；

2)隨著溫度的升高，Waspaloy合金棒材的屈服強度呈現下降的趨勢；合金在700 ℃下的屈服強度不低于650 MPa；

3)根據Waspaloy合金的Larson-Miller曲線，其在700 ℃、10萬h條件下的持久強度達到240 MPa；

4)700 ℃、0.15%初始應變條件下Waspaloy合金表現出優異的抗松弛性能；

5)隨著700 ℃時效時間的延長，Waspaloy合金組織中的γ′相緩慢長大，屈服強度和抗拉強度在時效1 000 h后達到穩定狀態；

6)上汽廠成功試制出M110×6×489規格的Waspaloy合金螺栓，其組織、力學性能和尺寸均滿足相關技術要求。