中小燃气轮机关键部件用钛合金和变形高温合

彭建强张宏涛王景生闫红博哈尔滨汽轮机机厂有限义务公司黑龙江科技大学

导读：文章比拟解析了国表里中小燃气轮机压气机轮盘/叶片、透平涡轮盘/叶片等关键部件用钛合金和变形高温合金的化学成份、力学功用等个性，并引见了变形高温合金的锻炼工艺特色，为国里面小燃气轮陷阱键部件用钛合金和变形高温合金的研发和运用供给了撑持。

关键词：中小燃气轮机，钛合金，变形高温合金，化学成份，拉伸功用

与其余保守动力比拟，中小燃气轮机具备功率大、构造紧凑、原料轻、维持便利、牢固性高档好处，自出生之日起就遭到产业界的高度器重，在电力产业、管道运输、石化冶金、舰船动力等畛域取得了宽广运用。是以，寰宇列京都特别器重中小燃气轮机的研发和运用。当前，国表里中小燃气轮机压气机轮盘/叶片、透平涡轮盘/叶片等关键部件广泛采取钛合金、变形高温合金等制作。

个中，钛合金具备比强度高、密度低等好处，变形高温合金具备成型简洁、精致性高、归纳功用好等好处。寰宇出名的中小燃气轮机公司都特别器重钛合金和变形高温合金材料的研发和运用。

由于中小燃气轮机宽广用做舰船动力装配，对机组分量有较高请求。是以，压气机叶片、轮盘等关键部件大批采取钛合金制作。当前，中小燃气轮机压气机哄骗较多的钛合金有TC4（海外招牌：Ti-6Al-4V）、TC11（海外招牌：BT9）、TA19（海外招牌：Ti）等。

TC4（Ti-6Al-4V）钛合金是美国于年研发胜利的Ti-Al-V系α-β型钛合金，含有6%的α不乱元素Al和4%的β不乱元素V。TC4钛合金的首要特色是具备崇高的归纳功用和精良的工艺个性，哄骗温度为℃。该合金的运用特别宽广，其产量险些达钛合金总产量的一半。

TC11钛合金是一种归纳功用精良的α-β型钛合金，在℃如下具备崇高的热强功用，而且具备较高的室温强度。该合金还具备精良的热加工工艺性（包含惯例工艺功用和超塑性），也许停止焊接和各式方法的机加工。当前，跟着TCl1钛合金运用的不停张大，该合金的β热责罚及等温锻已取得仓卒的先进。

TA19是一种近α型钛合金，表面成份为Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo，含有α不乱元素Al，中性元素Sn和Zr，同晶型β不乱元素Mo，共析型β不乱元素Si。Mo能升高室仁慈高温抗拉强度，增加不乱性；而Al、Sn和Zr的归纳营用，可坚持万古间长久和蠕变的高温强度；增加Si会引发硅化物弥漫相的积淀，有益于改正高温蠕变强度。该合金在℃还具备很高的强度，最高永久办事为℃。钛合金材质的化学成份见表1。

表1钛合金材质的化学成份

图1TA19和TC4在不同温度下的强度

图1是TA19和TC4在不同温度下的强度。从图中也许看出：在各个温度下，TA19的强度远高于TC4。

▏归纳

当前，国表里中小燃气轮陷阱键部件用模范变形高温合金景况见表2

表2模范变形高温合金景况

▏化学成份

国表里中小燃气轮陷阱键部件用模范变形高温合金化学成份见表3。

表3变形合金化学成份

1）CrCr的首要效用之一是抗氧化和抗热侵蚀。合金中Cr含量唯有大于15%，纵使Al含量小于5%，也也许在高温合金表面构成精致而粘附性崇高的爱护膜。图2是模范变形合金的Cr含量。也许看出，这些合金的Cr含量相对较低，根底在15%左右。这主借使由于这些合金首要用于办事温度较低的压气机轮盘和叶片以及涡轮盘，氧化和热侵蚀处境都不是很卑劣。

图2模范变形合金的Cr含量

2）Al和Ti关于含有Al、Ti的时效加强合金，通罕用（Ti+Al）和Ti/Al比表征合金加强成果。这是由于：

1）这种合金首要仰仗γ＇（Ni3(Al,Ti））相加强，因而（Ti+Al）含量越高，则合金的高温蠕变长久强度越高；

2）γ＇相为面心四方构造，在高温万古间走漏，轻易变动成更为不乱的密排六方构造的η（Ni3Ti）相。变动后的η相在晶界以胞状存在，在晶内以片状存在。这2种存在方法都邑减低合金的强度。模范变形合金的Ti、Al及（Ti+Al）含量如图3所示。也许看出，

1）5种Ni基合金的（Ti+Al）含量均在4%~6%，其余7种合金，除GH外，（Ti+Al）含量均不超出3%；

2）除GH、GH外，合金的Ti/Al比均大于1，GH、GH、GH、GH、GH、GH等合金的Ti/Al比更是宏大于1，这与GH和GH合金的哄骗温度较高，而其余合金哄骗温度相对较低有很好的对应干系。

图3模范变形合金的Ti、Al及（Ti+Al）含量

（3）W、MoW和Mo的原子半径都较量大，W比Ni、Co、Fe的半径大11%～13%，Mo大9%～12%。是以，W和Mo在高温合金中首要起固溶加强效用。关于W和Mo的固溶加强效用，时时采取Mo当量（Mo+0.5W）表征。图4是模范变形合金的W、Mo含量及Mo当量。也许看出：

1）GH是唯独同时含有W和Mo的合金，且其Mo当量最高，具备模范的俄罗斯研发合金特色。俄罗斯W和Mo矿产较量充盈，因而其高温用合金多采取W、Mo停止固溶加强。GH合金哄骗温度高达℃。

2）铁基合金GH尽管不含有Nb，不过含有高达5.7%的Mo，因而其哄骗温度与Nb含量较多铁镍基合金GH和GH相当。

3）GH、GH和GH3种Ni基合金的Mo当量较高，因而其哄骗温度也较高。

4）CoGH、GH和GH3种合金均含有10%～20%的Co，这是由于Co与Ni属于第ⅧB族，经过固溶加强显著升高合金的长久强度，固溶在基体中的Co元素还低沉Al和Ti在基体中的消融度，进而升高γ＇积淀加强相的数目，同时，γ＇相的成份会变成（Ni，Co）3（Al,Ti），升高γ＇相的消融温度。是以，这3种合金具备相对较高的哄骗温度。

图4模范变形合金的W、Mo含量及Mo当量

▏拉伸功用

不同温度下的拉伸功用是中小燃气轮机用变形合金的首要功用目标之一。化学元素和温度对燃气轮机轮盘用高温合金强度的影响水平如图5所示，从图中也许看出：

1）温度对材料强度的影响最大；

2）化学元素中Ti的影响最大，其次是Nb；

3）Ti对立拉强度的影响大于屈就强度；

4）Nb对屈就强度的影响大于抗拉强度。

图5化学元素和温度对燃气轮机轮盘用高温合金强度的影响水平

对中小燃气机轮盘用高温合金在℃的强度和Ti、Nb含量停止了统计，如图6所示。

（a）强度

（b）Ti、Nb含量

图6中小燃气机轮盘用高温合金在℃的强度和Ti、Nb含量统计

从图6也许看出：

1）GH、GH和GH3种铁镍基合金的屈就强度慢慢增高，GH的抗拉强度最高，GH次之，GH的抗拉强度最低，这与Ti和Nb对强度的影响有较量好的对应干系；

2）GH和GH2种镍基合金比拟，GH的屈就强度和抗拉强度均略高于GH，这与其Ti含量与GH相当，而其Nb含量高于GH有较好的对应干系；

3）3种铁镍基合金的屈强比相对，3种镍基合金的屈强比也相当；

4）3种镍基合金的屈强比均大于3种铁镍基合金，说镍基合金的塑性更好一些。

▏锻炼工艺

从表3也许看出，这些变形合金的成份都相对简洁，时时采取双联锻炼工艺便可餍足哄骗请求。罕用的双联工艺包含真空感觉（VIM）加真空自耗工艺（VAR）或真空感觉（VIM）加电渣重熔工艺（ESR）。不过关于含Nb的4种合金，GH、GH、GH和GH，特别是关于Nb含量高达5.1%的GH合金，最好的锻炼工艺应为三联工艺，即真空感觉（VIM）加电渣重熔工艺（ESR）加真空自耗工艺（VAR）。主借使为了防止Nb元素偏析构成的黑斑冶金毛病。

国表里中小燃气轮机压气机轮盘/叶片、透平涡轮盘/叶片等关键部件用钛合金和变形高温合金的化学成份、力学功用等个性的特色，停止了比拟解析，并引见了变形高温合金的锻炼工艺特色，给放洋里面小燃气轮陷阱键部件用钛合金和变形高温合金的研发和运用倡导：

1）TC4尽管是中小燃气轮机顶用处和用量最大的钛合金，不过其哄骗温度有限，仅为℃，借使超出该温度，应采用高温功用更好的TC11或TA19；

2）在选材时，应依据工况前提，归纳思索Cr、Ti、Al、Mo、W、Co等合金元素的效用，保证所选材料具备最好的合金成份配比；

3）Ti、Nb等元素显著影响涡轮盘锻件的拉伸强度，同时束缚Nb元素的偏析是轮盘锻件用材锻炼的难点，是以，关于涡轮盘用变形合金的研发和运用应充足思索Ti、Nb的最好配比。

第一做家简介：彭建强（-），男，硕士，高等工程师，卒业于哈尔滨产业大学，永久从事汽轮机和燃气轮机材料研发和运用探索办事。

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