汽轮机叶片选材及热处理工艺

目录
一、引言 (1)
二、设计任务 (1)
三、工况分析 (2)
四、失效分析及性能要求 (3)
（一）汽轮机叶片的失效分析 (3)
（二）性能要求 (4)
五、选材及优化 (4)
（一）铬不锈钢 (4)
（二）强化型铬不锈钢 (4)
（三）低合金珠光体耐热钢 (5)
（四）铝合金和钛合金 (6)
（五）优化 (6)
六、确定尺寸和热处理工艺 (6)
（一）热处理工艺 (6)
（二）组织及热处理工艺分析 (9)
七、工艺流程及工艺卡片 (10)
八、成品检验 (10)
（一）硬度检验 (10)
（二）金相检验 (11)
结论 (11)
参考文献 (11)
一、引言
汽轮机是将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械,又称蒸汽透平。

主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。

还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活上的供热需要。

汽轮机主要应用于电力工业、船舶工业、水泥、化工、石油、冶金、重型机械等领域。

汽轮机是一种旋转式的流体动力机械，它直接起着将蒸汽或燃气的热能转变为机械能的作用。

而叶片是汽轮机的“心脏”，是汽轮机中极为主要的零件。

叶片一般都处在高温，高压和腐蚀的介质下工作。

动叶片还以很高的速度转动。

在大型汽轮机中，叶片顶端的线速度已超过600m/s因此叶片还要承受很大的离心应力。

叶片不仅数量多，而且形状复杂，加工要求严格。

叶片的加工工作量很大，约占汽轮机、燃气轮机总加工量的四分之一到三分之一。

叶片的加工质量直接影响到机组的运行效率和可靠行，而叶片的质量和寿命与叶片的加工方式有着密切的关系。

所以，叶片的加工方式对汽轮机的工作质量及生产经济性有很大的影响。

这就是国内外汽轮机行业为什么重视研究叶片加工的原因。

随着科学技术的发展，叶片的加工手段也是日新月异，先进的加工技术正在广泛采用。

要满足不断提高的使用性能需求仅仅依靠新型叶片材料的应用仍然很难满足，必须将各种热处理技术应用到汽轮机叶片的制造当中才能达到对叶片具高效率、高精度和高寿命的要求。

二、设计任务
先通过对汽轮机的学习，了解其工作条件及内外部构造，继而对汽轮机叶片所处的周边环境有所了解，从而知道其工作条件。

再对汽轮机叶片的工作环境和工作条件（包括蒸汽或燃气与叶片的相互作用、工作温度、旋转速度、叶片受力情况等）进行分析，通过分析和研究得出的数据和现象，以确定汽轮机叶片的主要失效形式，并通过对数据和结果的分析得出汽轮机叶片的失效原因。

再由失效形式和失效原因确定出汽轮机叶片正常工作时应满足的性能要求。

再根据汽轮机叶片材料的性能要求，通过查阅资料和实验研究初步选定出三种以上符合要求的材料，再结合材料的性能、工艺性和经济性及汽轮机叶片材料的性能要求对所选材料进行综合分析，最终确定出最佳材料。

确定出最佳材料后再根据最佳材料确定汽轮机叶片的尺寸和热
处理工艺，根据热处理工艺及汽轮机叶片尺寸画出工艺流程图并制作出工艺卡片，
以及为了保证汽轮机叶片的质量确定出组织检验方法。

三、工况分析
首先叶片是汽轮机中将汽流的动能转换为有用功的重要部件，其工作环境极其恶劣, 且每一级叶片的工作条件均不相同。

初始几级动叶片除在高温过热蒸汽中工作外同时还承受着最大的静应力、动应力及交变应力的作用,一般发生高温氧化腐蚀、磨蚀和高温蠕变破坏。

随着过热蒸汽的膨胀作功,蒸汽温度逐渐降低,最后几级叶片虽然工作温度较低(60℃~110℃),但叶片却承受蒸汽中夹杂的水滴的冲刷,造成水冲蚀。

另外,运行过程中沉积在叶片上可溶性盐垢(如钠盐)吸收蒸汽由于温度降低冷凝出来的水份形成腐蚀性电解液覆在叶片表面,造成电化学腐蚀与此同时,由于末级叶片尺寸较大,在高速旋转中(约3000r/min)产生很大的离心力,另外叶片还受蒸汽不稳定的周期性扰动力作用产生振动。

末级叶片在离心力,叶片振动以及水冲刷的复杂应力状态下,加上工作于具有腐蚀性的环境下,往往产生应力腐蚀,腐蚀疲劳,疲劳等破坏。

实际失效的叶片常常是上述多种破坏方式复合的结果。

其次每一级叶片的工作温度都不相同。

并且工作在高温、高压、高转速或湿蒸汽区等恶劣环境中,经受着离心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蚀和振动以及湿蒸汽区高速水滴冲蚀的共同作用。

最后按照叶片的工作条件可分为动叶和静叶两种。

汽轮机叶片,特别是动叶片所处的工作条件是极其恶劣的。

主要表现在每一级叶片的工作温度都不相同。

第一级叶片所处的温度最高,接近于进口蒸汽温度,随后由于蒸汽逐级作功,温度逐级降低,直到末级叶片将降到100℃以下。

另外叶片是在运动着的水蒸汽介质中工作,其中多数是在过热蒸汽中工作而末级叶片是在潮湿蒸汽中工作,过热蒸汽中含有氧会造成高温氧化腐蚀,使叶片的疲劳强度降低。

在湿蒸汽区可溶性盐垢吸收水珠成为电解液造成电化学腐蚀,此外湿蒸汽区的游离水分子由于过冷凝结成水滴,冲击动叶进汽侧背弧面造成水冲蚀。

汽轮机工作过程中,动叶片还承受着最大的静应力、动应力及交变应力。

主要表现在转子旋转时作用在叶片上的离心力所引起的拉应力,汽流的作用产生弯曲应力和扭力以及叶片受激振力的作用产生强迫振动的交变应力,所有这些恶劣的工作环境,都将促使叶片失效断裂,个别叶片断裂后,其碎片可将相邻或下一级的叶片打坏, 使转子失去平衡而无法工作。

为使汽轮机长期安全运行,在机组检修时应十分重视叶片的质量检验,对断裂失效叶片应分析断裂原因,采取防患措施延长叶片使用寿命。

四、失效分析及性能要求
（一）汽轮机叶片的失效分析
汽轮机叶片工作环境恶劣,而不同的工作区叶片所处的工作环境不同，由此造成不同的失效方式。

工作于高温高压干燥过热蒸汽中的高、中压缸叶片,虽然失效形式多种多样但究其本质可大致归结为两类:腐蚀类和疲劳类。

1.腐蚀类
研究表明,与腐蚀有关的失效(包括电化学腐蚀,应力腐蚀,腐蚀疲劳)约占叶片失效的3%,而由纯疲劳引起的失效占12%,其它各种因素引起的失效占5%。

而腐蚀类又可大致细分为电化学腐蚀, 应力腐蚀和腐蚀疲劳。

为了防止汽轮机叶片的腐蚀,良好的水化学控制是被人公认的。

给水中杂质的浓度有严格的控制。

但是,即使在停机和运行期间进入汽轮机的杂质非常少,它也能在机组运行的时候被浓缩到有害水平。

有害的沉积物从湿蒸汽中吸收水份将形成具有一定浓度的腐蚀性电解液并覆于叶片钝化膜的表面。

当钝化膜由于某种原因发生破损或产生缺陷,裸露于腐蚀液中的金属微区将和整个叶片的钝化膜保护区构成一个小阳极大阴极的腐蚀电池,裸露的金属微区如果其钝化膜得不到迅速修复,将由于阳极溶解被不断地腐蚀掉。

此时整个叶片的腐蚀速率也许不会很大，但裸露金属微区处将因为大的阳极腐蚀电流而使其腐蚀速率被大大地加快。

末级叶片电化学腐蚀最突出的表现是点蚀，而整体腐蚀的情况极少见。

末级叶片在运转期间,本身质量引起大的离心力,叶片型线重心不在一条直线上引起的弯曲应力,振动引起的动应力,蒸汽冲击引起的弯曲应力以及机械加工和热处理引起的残余应力,使叶片处于十分复杂的应力状态下。

这些应力的综合作用,往往造成较大的拉应力,在富氯含氧的环境下叶片就会发生应力腐蚀破坏。

因而通过作用于裂纹尖端高应力区使裂纹扩展速率增大而导致应力腐蚀破坏。

腐蚀疲劳对高、中压缸中各级叶片的影响不大,但对在低压缸中开始形成冷凝处的末级和次末级叶片的影响极大点蚀一再被认为是最易造成腐蚀疲劳破坏的前兆, 许多叶片失效分析也证明了这一点。

点蚀坑不仅使叶片的实际强度下降,而且还导致应力集中,在低周应力范围内能成为裂纹的核心。

裂纹一般由坑底部萌生,呈多源状。

在腐蚀性环境中(比如含氯离子环境,湿蒸汽等环境下),裂纹扩展较其在空气环境下要快几个数量级，故造成腐蚀疲劳。

2. 疲劳类
末级长叶片的断裂和损伤可能由许多与腐蚀无关的其它原因所引起。

叶片调频不准和存在应力集中是结构上和工艺上常见的毛病。

调频不准使叶片振动严重,为叶片
疲劳失效创造了条件，水冲蚀常便叶片有效强度下降且在水蚀坑处造成应力集中,另外由于操作人员的错误操作(碰撞、进水),加上结构和制造上的缺陷往往容易造成末级叶片的高周疲劳失效。

叶片在汽轮机停过中,承受低频高应变疲劳即低周疲劳破坏。

关干低周疲劳对叶片寿命损伤的研究目前报道的不多,但在起停频繁的机组上这个问题不容忽视。

（二）性能要求
根据对汽轮机叶片失效的分析，对汽轮机叶片用钢的性能提出以下要求：
（a）应具有足够的室温和高温机械性能；
（b）良好的耐蚀性和抗冲蚀性；
（c）良好的减振性；
（d）高的断裂韧性；
（e）优良的冷、热加工工艺性能。

五、选材及优化
（一）铬不锈钢
牌号：1Cr13和2Cr13：
热处理工艺：在调质状态下使用。

1Cr13：1000~1050℃油淬，700~750℃回火；2Cr13：950~1000℃油淬，640~720℃回火。

金相组织：1Cr13：回火索氏体+少量铁素体；2Cr13：回火索氏体。

优点：在室温和工作温度下具有足够的强度，还具有很好的耐腐蚀性能和减振性。

缺点：当温度超过500℃时，热强性明显下降，使用工作温度在450~500℃以下。

1Cr13钢若锻造或淬火温度过高，奥氏体晶粒粗大，有大量块状铁素体生成，
振动衰减率和冲击韧性降低。

铬不锈钢抗水冲蚀的能力较差。

（二）强化型铬不锈钢
牌号：2Cr12NiMo1W1V
2Cr12NiMolWlV钢作为GB8732—88《汽轮机叶片用钢》标准的一个专用钢种
和GB1221标准中的2Cr12NiMolWlV钢种相比，其Cr、Mo、W、V和P、S的含
量控制范围要求更严格一些，从而中和力学性能也更好一些，两种钢的化学成分。

热处理规范及力学性能指标的比较见表1和表2。

表1 2Cr12NiMo1W1V和2Cr12NiMoWV化学成分对比
表2 2Cr12NiMo1W1V钢和2Cr12NiMoWV钢处理规范和力学性能
（三）低合金珠光体耐热钢
牌号：20CrMo、24CrMoV
该类钢特点是合金元素含量较低，比较经济，工艺性能良好，经过调质处理后强度、塑韧性都比较满意，主要用于制造在450℃以下的中压汽轮机的压力级各级动叶片和隔板静叶片。

（四）铝合金和钛合金
这类合金的特点是铝合金和钛合金比重小，耐蚀性好，具有一定的强度，在国外已成功用于制造大功率汽轮机的长叶片。

钛合金是以钛为基础，加入少量铝、锆、锡、钒和钼等，比重仅为4.5，比钢轻45%左右。

室温机械性能很高，具有良好的抗蚀性能。

缺点：但是钛合金工艺性能很差，对应力集中比较敏感，减振性比马氏体钢低，成本比较高。

（五）优化
汽轮机叶片用钢应选用具有良好的耐蚀性和抗冲蚀性以及良好的减振性高的断裂韧性和优良的冷、热加工工艺性能并且具有足够的室温和高温机械性能。

对一般的铬不锈钢而言，虽然在室温和工作温度下具有足够的强度，还具有很好的耐腐蚀性能和减振性，但当温度超过500℃时，热强性明显下降，使用工作温度在450~500℃以下。

其中的1Cr13钢若锻造或淬火温度过高，奥氏体晶粒粗大，有大量块状铁素体生成，振动衰减率和冲击韧性降低。

而且抗水冲蚀的能力较差。

对强化型铬不锈钢而言通过合金属元素的加入，对其性能起到了决定作用，弥补了普通铬不锈钢的一些不足，使其性能得到进一步优化。

对低合金珠光体耐热钢而言，虽然合金元素含量较低，比较经济，工艺性能良好，经过调质处理后强度、塑韧性都比较满意，但只适合制造主要用于制造在450℃以下的中压汽轮机的压力级各级动叶片和隔板静叶片。

对温度要求高的场合则不适用。

对铝合金和钛合金而言，虽然耐蚀性好，具有一定的强度，但钛合金工艺性能很差，对应力集中比较敏感，减振性比马氏体钢低，成本比较高。

综合以上论述，2Cr12NiMolWlV钢是最佳的选择。

六、确定尺寸和热处理工艺
（一）热处理工艺
2Cr12NiMolWlV钢是一种高温马氏体不锈钢，作为叶片专用钢，要获得较满意的
综合力学性能，受到诸多因素制约。

热处理过程无疑是最关键的因素之一。

常规做法是：叶片胚料锻后先做等温退火，然后调质。

2Cr12NiMolWlV钢基本采用GB8732—88标准推荐的热处理规范，见表3。

1. 等温退火
等温退火与完全退火和不完全退火的区别在于，奥氏体化后不是随炉冷却而是冷至适当温度保温，使奥氏体在这个温度下进行等温转变，形成珠光体。

这些钢采用完全退火或不完全退火来获得珠光体组织是十分困难的，因为奥氏体化后必须非常缓慢地冷却才能在连续冷却过程中完成珠光体转变，否则便于工作会形成马氏体，使钢变硬，无法进行切削加工。

所以在对热处理中等温退火和完全及不完全退火的对比中选择了等温退火。

表3 2Cr12NiMolWlV钢热处理规范
而这样低的冷却速度在实际生产条件下却是很难实现的。

而且即使能够设法实现，生产周期也显得过长，极不经济。

采用等温退火，使奥氏体在既能转变为硬度不太高的珠光体，完成转变所需时间又不太长的温度下进行等温转变，不但方便易行，而且可以缩短生产周期。

等温退火还有一个优点，那就是等浊转变形成的组织比较均匀，不象连续冷却转变那样，在较高温度下与低较温度下形成不完全相同的组织。

等温退火的加热规范和完全退火或不完全退火相同。

使奥氏体发生等温转变的温度和保温时间应根据钢的TTT图选定。

选择的原则是在保证钢的硬度合乎要求的前提下，奥氏体能在较短时间内完成球光体转变。

由加热温度冷至等温转变温度的冷却速度无关紧要。

在不考虑内应力问题时，等温转变结束后即可出空冷。

其等温退火工艺曲线图1。

2.机械加工过程去应力退火
汽轮机叶片在机械加工过程中，由于刀具挤压、切削热等影响，使模具内部组织发生不均匀的体积变化，产生内应力。

内应力的存在，使内部组织处于一种极不稳定的状态，有着强烈恢复到无应力状态的倾向。

在内应力不断释放的过程中，汽轮机叶
片的形状发生改变，原有的加工精度逐渐丧失，对机械加工后内应力没有完全释放的汽轮机叶片在随后的淬火处理时会发生更大的变形或淬火裂纹，因此在机械加工过程中应及时进行去应力退火处理。

2Cr12NiMolWlV汽轮机叶片用钢的去应力退火曲线如图2示。

时间
图1 2Cr12NiMolWlV钢等温退火工艺曲线图
时间（h）
图2 2Cr12NiMolWlV钢去应力退火工艺曲线
3. 调质
高温回火后得到回火索氏体组织。

工件淬火并高温回火的复合热处理工艺称为调质。

调质后，汽轮机叶片具有优良的综合力学性能。

因汽轮机叶片承受着最大的静应力、动应力和交变应力，对其所要求的性能也就很高，大都在比较大的动载荷作用下工作，它们承受着拉伸、压缩、弯曲、扭转或剪切的作用，有的表面还具有摩擦，要求有一定的耐磨性等等。

因此汽轮机叶片应具有优良的综合力学性能，即
高强度和高韧性的适当配合，以保证其长期顺利工作。

其调质工艺图见图3和图4。

4. 成型零件的表面强化
由于叶片工作区为湿蒸汽区,且含有大量水滴,在很高的轮周速度及离心力下冲蚀叶片,使叶片顶部进气边产生点蚀而失效, 叶片抗水蚀能力的高低直接影响到汽轮机的工作效率及安全运行。

为提高叶片的抗水蚀能力,目前主要有以下几种工艺方法:
(1) 火焰淬火强化:在叶片出汽边火焰加热淬火,该方法工艺较简单但温度不易控制,易产生变形、裂纹、硬度不均匀等问题;
(2) 高频感应加热淬火:该工艺采用感应加热后低温回火,产生2~ 6 mm厚回火马氏体,可提高效率,但感应加热设备复杂,尤其使感应圈设计和制作复杂,但也存在变形等问题。

(3) 局部加覆盖层:在进气边的局部位置覆盖一层新合金,采用的工艺方法有: 钎焊司太立合金片、热喷涂、堆焊、电镀、化学转化膜、涂料与涂装等。

该类方法存在工艺复杂、残余应力大、覆盖层易脱落等问题。

（二）组织及热处理工艺分析
2Cr12NiMoWV 钢1020℃的淬火组织为板条马氏体和少量分布在原奥氏体晶界上的未溶碳化物由于V具有良好的抗过热敏感性，淬火硬度一般开始随淬火温度的升高而提高，当温度升高到1070℃左右达到最大值，再提高淬火温度，硬度增加很少而晶粒开始长大。

在淬火冷却时，应以较快的冷速冷却，以防止共析碳化物的析出。

为
得到较好的综合性能和稳定的组织2Cr12NiMolWlV钢一般采用高温回火，得到回火索氏体。

对2Cr12NiMolWlV如果降低Cr的含量提高V的含量，使钢在回火时析出以VC为主的高度弥散的碳化物，降低高温下不稳定的Cr的含量，可以提高其使用温度及高温性能。

七、工艺流程及工艺卡片
工艺流程：锻造→等温退火→高温回火→粗加工→去应力退火→淬火→高温回火→精加工→检验→表面强化热处理→装配。

为保证2Cr12NiMolWlV钢汽轮机叶片内部组织致密，碳化物及流线分布合理，消除材料物理性能方向性，汽轮机叶片都需采用锻造方法准备毛坯。

但锻造后内部组织变成不稳定的结晶，硬度高、力学性能差，切削困难，内应力大，在加工过程中和随后的淬火处理时容易产生较大的变形和淬裂，因此应及时进行等温退火处理。

2Cr12NiMolWlV钢汽轮机叶片在机械加工过程中，由于刀具挤压、切削热等影响，使模具内部组织产生内应力，从而使内部组织处于一种极不稳定的状态，有着强烈恢复到无应力状态的倾向。

在内应力不断释放的过程中，汽轮机叶片的形状发生改变，原有的加工精度逐渐丧失；对机加后内应力没有完全释放的叶片，在随后的淬火处理时会发生更大的变形或淬火裂纹，因此在机械加工过程中应及时进行去应力退火处理。

由于汽轮机叶片形状复杂、尺寸精度要求较高，因此精加工通常放在淬火、回火后进行。

工艺卡片见附图。

八、成品检验
（一）硬度检验
使用洛氏硬度计对汽轮机叶片表面进行硬度检验，检验其硬度是否合格，要求硬度277～311HB。

若硬度过高，则进行高温回火，降低其硬度。

硬度过低，则低温回火，使其硬度提高。

（二）金相检验
使用金相显微镜对汽轮机叶片表面进行金相检验，主要检查材料晶界上碳化物的偏析、分布状态、晶料度以及晶粒间夹杂等。

组织缺陷及解决办法：
1. 带状偏析
由于碳及合金元素的严重偏析，特别是铬元素的作用。

2Cr12NiMolWlV有时会出现共晶碳化物，可通过高温长期扩散退火消除。

2Cr12NiMolWlV中普遍存在碳化物带状偏析，通过高温扩散退火能减少成分偏析，提高化学成分和组织的均匀性。

利用电渣重熔和真空白耗熔炼压铸模具钢，以及利用稀土变质模具钢，使2Cr12NiMolWlV 钢的合金元素偏析现象明显减弱，可大幅度提高模具钢的冲击韧度。

2. 杂质富集带
一般失效的2Cr12NiMolWlV中可看到杂质富集带，它集中在碳化物偏析带内，常与共晶碳化物伴生。

提高2Cr12NiMolWlV钢的清洁度，采用电渣重熔或炉外精炼工艺，可降低有害杂质含量，特别是S、P的含量，是改善2Cr12NiMolWlV钢抗热裂和早期脆性开裂及2Cr12NiMolWlV钢汽轮机叶片寿命的重要途径。

结论
1. 通过对汽轮机叶片的工况的分析知道了汽轮机的每一级叶片的工作温度都不相同并且工作在高温、高压、高转速或湿蒸汽区等恶劣环境中,经受着离心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蚀和振动以及湿蒸汽区高速水滴冲蚀的共同作用。

从而得到了汽轮机叶片的的两种失效形式即腐蚀类和疲劳类。

2. 在对工况和失效形式的分析后我们对汽轮机叶片用钢的性能提出了要求，汽轮机叶片应具有足够的室温和高温机械性能和良好的耐蚀性以及良好的抗冲蚀性、高的断裂韧性和减振性以及优良的冷、热加工工艺性能。

进而初步确定了汽轮机叶片用钢的四种材料，在对四种材料的优缺点分析后我们选择了2Cr12NiMolWlV钢。

3. 在对汽轮机叶片失效形式、要求性能、以及汽轮机叶片的尺寸和形状分析后，我们制定出了以下热处理工艺：钢坯锻造后的等温退火、高温回火、机械加工过程的去应力退火、淬火、回火、成型零件的表面强化，最终使2Cr12NiMolWlV钢能达到汽轮机叶片所要求的性能。

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热处理工艺卡片。