高參數(shù)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用HAYNES 282焊接性分析及應(yīng)用

楊林 熊建坤 聶甫恒 余勇 徐健 吳海峰 曹天蘭 鐘玉

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000）

1 引言

在我國供電系統(tǒng)中， 燃煤發(fā)電所占比重為70%左右[1]， 為主要能源利用方式， 并且該局面在今后很長(zhǎng)一段時(shí)間仍將長(zhǎng)期存在。 減少CO2排放量、 提高發(fā)電效率， 發(fā)展綠色能源成為世界共同關(guān)注的問題。 研究表明一座總功率為1 000 MW的燃煤電站， 約耗標(biāo)準(zhǔn)煤230 萬噸/年。 如熱效率絕對(duì)值提高1%（主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度每提高10 ℃， 熱效率可相對(duì)提高0.25%～0.30%）， 可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤6 萬噸/年。 因此， 開發(fā)高參數(shù)汽輪機(jī)組已成為降低火電機(jī)組平均發(fā)電煤耗， 提升經(jīng)濟(jì)性能和改善環(huán)境狀況的有效途徑。

歐美及日本等國家先后提出高參數(shù)汽輪機(jī)組發(fā)展計(jì)劃， 如歐洲1998 年提出“AD700” 研究計(jì)劃、 美國能源部（DOE）1999 年啟動(dòng)的“Vision 21”計(jì)劃及日本2008 年提出的“新陽光計(jì)劃” 等， 無一例外的將蒸汽參數(shù)提高到700 ℃， 發(fā)電效率提高到55%， CO2的排放量降低15%[2]。 700 ℃超超臨界機(jī)組溫度、 壓力參數(shù)的提高對(duì)高溫材料提出更苛刻的要求， 鎳基合金成為必然選擇。

與固溶強(qiáng)化高溫合金相比， 沉淀型高溫合金能夠最大限度的提高材料在強(qiáng)度方面的使用極限，通過時(shí)效熱處理獲得的時(shí)效硬化、 γ'強(qiáng)化方式提高蠕變強(qiáng)度， 進(jìn)而提高了材料的適用溫度。HAYNES 282 合金（Ni-19Cr-10Co-8.5Mo-1.5Al-2.1Ti）， 是一種具有良好可焊性和可加工性的新型高蠕變強(qiáng)度的鍛造合金。 盡管含有較高的γ'強(qiáng)化相， 且使用溫度可高達(dá)900 ℃， HAYNES 282 合金具有優(yōu)異的成型性和可鍛性， 與其他γ'強(qiáng)化的高溫合金的焊接性相比， 具有較低的應(yīng)變時(shí)效裂紋敏感性。 這些優(yōu)異的性能使其成功應(yīng)用于飛機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件， 且具備應(yīng)用到700 ℃級(jí)別高參數(shù)超超臨界汽輪機(jī)（轉(zhuǎn)子等）的可能。 本文結(jié)合目前國內(nèi)外的研究進(jìn)展， 對(duì)HAYNES 282 合金的基本性能和焊接性進(jìn)行分析， 結(jié)合公司所確定的高參數(shù)機(jī)組選材設(shè)計(jì)， 制定了完整有效的轉(zhuǎn)子焊接及熱處理工藝。

2 HAYNES 282 組織與性能

HAYNES 282 合金的典型化學(xué)成分見表1。 其標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度為： 固溶處理后經(jīng)兩次時(shí)效處理，分別為（1 121～1 149）℃/2 h/OC+1 010 ℃/2 h/AC+788 ℃/8 h/AC。

表1 HAYNES 282 合金典型化學(xué)成分wt%

為了平衡強(qiáng)度和加工性能， Haynes 282 合金的γ′相含量經(jīng)過優(yōu)化， 嚴(yán)格控制Al 和Ti， 合金中還含有8.5%的Mo， 明顯增大基體固溶體的晶格常數(shù)， 起固溶強(qiáng)化作用， 提高蠕變性能， 合金中M23C6 型碳化物釘扎晶界提高其力學(xué)性能[3]。

圖1 所示為一次時(shí)效處理后的組織為γ 基體及分布的塊狀MC 型碳化物和退火孿晶等， 在二次時(shí)效快冷處理后， 基體晶內(nèi)和晶界均分布較小的γ′相， 且晶界附近析出M23C6 型碳化物。HAYNES 282 所具有的固溶強(qiáng)化機(jī)制和時(shí)效強(qiáng)化機(jī)制造就了更優(yōu)異的綜合力學(xué)性能[4]， 如圖2～3 所示， 其與HAYNES 230 和617 等固溶型高溫合金相比， HAYNES 282 的常溫、 高溫性能以及高溫蠕變性能均更佳， 其中HAYNES 282 的100 MPa下10 萬小時(shí)持久溫度接近780 ℃。

圖1 HAYNES 282 典型組織

圖2 不同合金抗拉強(qiáng)度與溫度的變化規(guī)律

圖3 不同溫度10 萬小時(shí)蠕變強(qiáng)度變化規(guī)律

3 HAYNES 282 焊接性

由于HAYNES 282 合金最初是針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器而開發(fā)的， 因此具有良好的可焊性是關(guān)鍵。 正如文獻(xiàn)所提[5]，這類γ'強(qiáng)化型高溫合金在焊接過程中易出現(xiàn)3 種不同形式的焊接裂紋： 應(yīng)變時(shí)效裂紋、 焊縫凝固裂紋和熱影響區(qū)液化裂紋。

3.1 應(yīng)變時(shí)效裂紋敏感性

應(yīng)變時(shí)效裂紋通常歸因于基材本身的殘余應(yīng)力， 其由鑄造過程中的凝固收縮和時(shí)效熱處理過程的γ'相形成。 一般情況下， 在焊后熱處理（例如固溶退火） 期間裂紋會(huì)在加熱期間發(fā)生， 但這種現(xiàn)象不能及時(shí)檢測(cè)到位， 不過很多試驗(yàn)表明，這種具有較大γ'沉淀動(dòng)力學(xué)的合金對(duì)應(yīng)變時(shí)效裂紋更加敏感， 故而需要在HAYNES 282 合金設(shè)計(jì)階段就避免這些問題[6]。

對(duì)應(yīng)變時(shí)效裂紋的早期研究主要集中在通過控制加熱速率試驗(yàn)（CHRT）進(jìn)行對(duì)比[7]。 為了更好地使用CHRT 方法， Metzler 選擇了單一溫度、 加熱速率和延伸率， 以表明基于Gleeble 的CHRT 方法可靠地區(qū)分不同合金中應(yīng)變時(shí)效裂紋敏感性的微小差異[8]。 這種具有應(yīng)變時(shí)效裂紋敏感（γ′/γ″）的合金在測(cè)試后的斷口中始終表現(xiàn)出晶間斷裂的跡象。 HAYNES 282 與其他幾種合金相比， 實(shí)際上已經(jīng)具備了較低的應(yīng)變時(shí)效裂紋敏感性。 為最大限度地降低焊接接頭的應(yīng)變時(shí)效裂紋敏感性， 最好在前端制造過程中選擇降低基材殘余應(yīng)力的工藝方法和參數(shù)。

圖4 不同合金CHRT 塑性特征

3.2 焊縫凝固裂紋敏感性

在現(xiàn)有研究中利用可變拘束試驗(yàn)評(píng)估了具有兩種硼含量的HAYNES 282 合金[5]。 圖5 所示的結(jié)果表明， HAYNES 282 合金表現(xiàn)出優(yōu)異的抗凝固開裂性， 尤其是較低硼含量（0.003%）具有更低的凝固裂紋敏感性。 HAYNES 282 的制造標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量控制中確定了硼含量低于0.005%。 與其他合金相比， 在兩種不同應(yīng)變水平下的裂紋長(zhǎng)度結(jié)果中，表明HAYNES 282 合金在焊接約束條件下， 抗凝固開裂性比大多數(shù)合金優(yōu)異， 跟617 合金相當(dāng)。

圖5 不同合金的可變約束試驗(yàn)下的裂紋總長(zhǎng)

3.3 熱影響區(qū)液化裂縫敏感性

除上述研究外， Andersson 通過熱延性試驗(yàn)評(píng)估HAYNES 282 合金的HAZ 液化裂紋傾向[9]。使用Gleeble 實(shí)驗(yàn)確定 “脆性溫度范圍” （BTR）， 將其定義為加熱液化引起的零強(qiáng)度溫度（NST）和延性恢復(fù)溫度區(qū)間， 用于評(píng)價(jià)焊接過程中熱影響區(qū)的熱裂紋敏感性。 Caron 通過Gleeble 實(shí)驗(yàn)獲得了HAYNES 282 合金的BTR 范圍不超過90 ℃， 與Andersson 等的研究結(jié)果基本一致， 同時(shí)對(duì)比了其他文獻(xiàn)提供的Waspaloy（209 ℃）和718（103 ℃）數(shù)據(jù)， 說明HAYNES 282 合金理論上比這些合金具有更好的抗HAZ 液化裂紋性。

4 HAYNES 282 的焊接工藝應(yīng)用

目前關(guān)于HAYNES 282 厚壁件的焊接， 尤其是與耐熱鋼的厚壁件焊接研究極少， 但在部分會(huì)議上[10]提到過將HAYNES 282 合金與Udimet 720Li合金作為汽輪機(jī)焊接轉(zhuǎn)子的選材， 所進(jìn)行的焊接和無損結(jié)果表明接頭并沒有發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的裂紋等缺陷， 但具體工藝及性能評(píng)估未見報(bào)道。

公司高參數(shù)機(jī)組焊接轉(zhuǎn)子擬采用HAYNES 282+12Cr 轉(zhuǎn)子焊接方案， 結(jié)合HAYNES 282 的焊接性特點(diǎn)， 這種時(shí)效型高溫合金主要以富含Al、Ti 的γ′和特定碳化物等作為強(qiáng)化相， 焊接接頭具有較高的結(jié)晶裂紋和應(yīng)變時(shí)效裂紋敏感性， 尤其是熱影響區(qū)易形成γ-γ′低熔點(diǎn)共晶物， 在焊接熱應(yīng)力下形成微裂紋[11]， 且焊后熱影響區(qū)組織需要時(shí)效處理以到達(dá)最佳的材料狀態(tài)， 但其時(shí)效溫度又與耐熱鋼焊后去應(yīng)力溫度不一致， 故而難以一次性獲得性能完整且無缺欠的焊接接頭。

為獲取良好的焊接接頭， 需在固溶狀態(tài)焊接后進(jìn)行時(shí)效處理（同時(shí)兼顧去應(yīng)力作用）， 諸如上述提到的基材殘余應(yīng)力過大會(huì)提高應(yīng)變時(shí)效裂紋敏感性， 固溶態(tài)焊接能夠降低基材起焊狀態(tài)的殘余應(yīng)力， 能有效抑制這種應(yīng)變時(shí)效裂紋； 同時(shí)降低γ′含量， 相當(dāng)于減少了組分液化傾向， 實(shí)則能夠進(jìn)一步縮小脆性溫度范圍， 同時(shí)在加熱和冷卻過程中可能存在的γ-γ′低熔點(diǎn)共晶物載體也減少了， 所以熱影響區(qū)的液化裂紋傾向也大大降低。

HAYNES 282 時(shí)效熱處理溫度遠(yuǎn)高于12Cr 材料， 且考慮到兩側(cè)母材膨脹系數(shù)差異較大、 微合金元素的遷移和擴(kuò)散特點(diǎn)[12]， 故需在鎳基側(cè)堆焊適當(dāng)?shù)倪^渡層， 時(shí)效處理后再與耐熱鋼進(jìn)行對(duì)接焊及去應(yīng)力熱處理， 其中過渡層材料在熱處理（時(shí)效+去應(yīng)力） 和對(duì)接焊過程中性能和焊接性等不受影響， 結(jié)合該溫度段的綜合性能要求， 一種優(yōu)選的固溶型焊材成為必備選擇， 且焊后無損檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)任何缺陷。

表2 異種焊接室溫及高溫力學(xué)性能

如表2 所示， 所有試樣的斷裂位置均在12Cr母材， 其強(qiáng)度均滿足12Cr 母材性能要求。 且異種接頭短時(shí)持久試驗(yàn)按照12Cr 母材要求（600 ℃/264 MPa）進(jìn)行， 接頭持久時(shí)間超過500 h（未斷）。 綜上所述， 焊材選擇、 焊接及熱處理工藝具有很高的可行性。

5 結(jié)論

（1）HAYNES 282 在固溶強(qiáng)化基礎(chǔ)上， 時(shí)效后形成的M23C6 和γ′相極大提高其高溫綜合性能。

（2）HAYNES 282 具有較低的應(yīng)變時(shí)效裂紋和熱影響區(qū)液化裂紋敏感性。

（3）固溶態(tài)焊后進(jìn)行時(shí)效熱處理不僅能最大限度地降低熱裂紋傾向， 還能有效確保焊接接頭的綜合性能。