高温叶片钢2Cr10MoVNbN的应用性能研究.pdf

第5 3卷 第 4 期 2 0 1 1年 8月 汽轮机技术 T UR BI NE T E C HN0 L 0GY Vo 1 5 3 NO 4 Au g 2 01 1 高温叶片钢 2 C r l 0 M o V N b N的应用性能研究 彭建强， 白 燕 ( 哈尔滨汽轮机机厂有限责任公司， 哈尔滨 1 5 0 0 4 6 ) 摘要： 为了实现高温叶片钢2 C r l O M o V N b N的国产化应用 ， 从叶片的高温、 高应力、 高转速等严苛工况条件的角度， 通过试验研究 2 C r l 0 M o V N b N钢的高温瞬时拉伸性能、 疲劳性能、 高温持久性能和物理性能等应用性能 ， 并介绍了 各种应用性能的理论基础和钢的强化机理。试验结果显示： 1 ) 随温度升高 2 C r l O Mo V N b N钢的强度逐渐降低 ， 在低 温阶段延伸率和断面收缩率缓慢下降， 在 中温阶段塑性最差， 进入高温阶段后随温度升高塑性大幅升高； 2 ) 2 C r l 0 Mo V N b N钢在高温下仍保持高的疲劳强度， 疲劳性能优良； 3 ) 2 C r l 0 M o V N b N钢的高温持久性能优良， 在高温、 长时条件下仍保持高的强度。试验证明2 c r l 0 M0 V N b N钢是一种理想的超临界、 超超临界汽轮机高温叶片材料。 关键词： 汽轮机 ； 高温； 持久强度； 叶片材料 分类号： T K 2 6 5 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 - 5 8 8 4 ( 2 0 1 1 ) 0 4 - 0 3 1 5 - 0 3 A p p l i c a t i o n P r o p e r t y S t u d y o n 2 C r l O Mo V N b N S t e e 1 f 0 r B l a d e W0 r k i n g a t E l e v a t e d T e mp e r a t u r e P E N G J i a n q i a n g , B A I Ya h ( Ha r b i n T u r b i n e C o mp a n y L i m i t e d ， H a r b i n 1 5 0 0 4 6 ， C h i n a ) 。 Ab s t r a c t ： T h i s p a p e r s t u d i e s t h e a p p l i c a t i o n p r o per t i e s i n c l u d i n g h i g h t e mp e r a t u r e t e n s i l e p r o p e i t y ， f a t i g u e p r o p e rt y ， s t r e s s r u p t u r e p r o p e rt y a n d p h y s i c a l p r o p e r t y o f 2 C r l 0 Mo V Nb N s t e e l tr o u g h p r o p e rt y t e s t i n g f r o m t h e p e r s p e c t i v e o f s t ri n g e n t w o r k i n g c o n d i t i o n s o f e l e v a t e d t e mp e r a t u r e ， h i g h s t r e s s ， a n d h i g h r e v o l u t i o n s p e e d， i n o r d e r t o r e a c h t h e g o al o f l o c ali z e d a p p l i c a t i o n o f 2 Cr l 0 Mo VNb N s t e e l ， a n d a l s o i n t r o d u c e s t h e t h e o r e t i c a l f o u n d a t i o n o f a l l t h e a p p l i c a t i o n p r o p e rty a n d s t r e n g t h e n i n g m e c h ani s m o f t h e s t e e 1 T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t ：1 )t h e s tr e n g t h o f 2 C r l O Mo V N b N s t e e l d e c r e a s e s a s t h e t e s t t e mp e r a t u r e b e i n g r a i s e d， a n d t h e d u c t i l i t y d e c r e a s e s s l o w l y a t t h e l o w t e mp e r a t u r e s t a g e， a n d b e c o me t h e l o we s t a t t h e m i d d l e t e m p e r a t u r e s t a g e ， a n d i n c r e a s e s s u b s t a n t i a l l y a s t h e t e m per a t u r e ri s i n g a t h i g h t e m p e r a t u r e s t age ；2 )t h e f a t i gue p rop e rty a t h i g h t e mp e r a t u r e o f t h e s t e e l i s v e r y g o o d；3 )t h e s t r e s s rup t u r e p r o p e rty o f t h e s t e e l u n d e r t h e h i g h t e mp e r a t u r e a n d l o n g t e r m t e s t c o n d i t i o n i s v e ry g o o d T h e t e s t s d e mo n s t r a t e t h a t 2C r l 0 Mo VNb N s t e e l i s a d e s i r e d ma t e r i al f o r h i g h t e mp e r a t u r e b l a d e for s u p e r and u l t r a - s u p e r c rit i c al s t e a m t u r b i n e s Ke y wo r d s ： s t e a m t u r b i n e；h i g h t e mp e r a t u r e ；s t r e s s r u p t ur e s t r e n g t h；b l a d e ma t e r i a l 0 前言 节约一次能源， 加强环境保护， 减少有害废气排放 ， 降低 地球温室效应， 已成为国内外普遍关注的问题。对于发电设 备制造企业来说 ， 提高火电机组的热效率是节约能源、 加强 环境保护的有效途径之一。超临界、 超超临界汽轮发电机组 由于其效率高、 温室气体排放低 、 运行可靠性高等优点， 成为 主流发电产品。田成文等人指出， 以亚临界火电机组的电 厂净效率为基值， 蒸汽参数为 2 5 M P a 5 4 0 C 5 6 0 C的超临界 火电机组电厂的净效率 比亚临界火电机组电厂的净效率高 1 6； 与1 6 7 M P a 5 3 8 o C 5 3 8 的亚临界参数火电机组相 比， 采用 5 3 8 o C 5 6 6 o C超临界机组可使 C O ：的排放量减少 1 0 。然而， 超临界、 超超临界汽轮机的工况条件严苛 ， 尤其 、高转速等苛刻的条件 ， 因此 对叶片钢提出了较高的高温应用性能要求。2 C r l 0 Mo V N b N 钢与其它1 2 叶片钢相比， 成分更加合理 ， 具有更高的持久 强度， 受到国内外电站汽轮机厂广泛青睐和推广， 主要用于 制造超临界、 超超临界汽轮机高中压叶片和螺栓， 使用温度 为 4 8 0 C一 6 5 0 C。本文从叶片的高温、 高应力 、 高转速等严 苛工况条件的角度， 通过试验研究 2 C r l 0 M o V N b N钢的高温 瞬时拉伸性能、 疲劳性能、 高温持久性能和物理性能等应用 性能， 并介绍了各种应用性能的理论基础和钢的强化机理。 1 高温瞬时拉伸性能 高温瞬时拉伸性能反映耐热钢的最基本的热强性 ， 是研 究高温蠕变、 持久性能的基础。高温瞬时拉伸性能是高温受 力构件设计常用的基本指标 ， 是确定叶片钢使用温度的重要 依据。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 4 ) 1 -0 4 作者简介： 彭建强( 1 9 8 0 一 ) ， 男， 助理工程师， 现从事汽轮机材料研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 1 6 汽轮机技术 第 5 3卷 试验中采用了 MT S 万能试验机进行高温瞬时拉伸性能 试验， 测定 C r l 0 Mo V N b N钢在不同温度下的强度和塑性 ， 如 图 1所示。 暑 量 邑 、 毯 隈 试验温度 ， 图 1 2 C r l 1 Mo V N b N钢强度、 塑性与试验温度 的关系图 温度升高使金属原子扩散能力增强， 原子结合力下降。 从图 1可知， 随温度升高 2 C r l 0 Mo V N b N钢的强度逐渐降低， 在低温阶段延伸率和断面收缩率缓慢下降， 在中温阶段塑性 最差， 进入高温阶段后随温度升高塑性大幅升高。结果表 明， 2 C r l 0 Mo V N b N钢的高温瞬时拉伸性能优良。 2 疲劳强度性能 疲劳强度反映钢在循环应力作用下抵抗断裂的能力。 汽轮机叶片要经受高速旋转造成的循环应力， 因此叶片应具 有良好的疲劳性能。钢在室温下有明显的疲劳极限， 但当试 验温度超过 4 3 0 后就不再有疲劳极限了 。因此一般规 定， 如果应力循环次数 N达 1 0 次仍不发生疲劳断裂时， 则 可认为循环次数的增加， 将不再发生疲劳断裂。在这种情况 下钢的疲劳性能用疲劳强度描述。 许多实验证明， 对称循环的疲劳强度 一 和抗拉强度 R 有关 ， 抗拉强度越高， 则疲劳强度越高。2 C r I O Mo V N b N叶片 钢在 5 5 0 和 6 0 0 的抗 拉 强 度 高 于 2 C r l 2 N i Mo l W1 V、 1 C r l 1 Mo V等叶片钢， 具体情况如表 1 所示。刘尚潭等人 通 过 试 验 证 实 2 C r l 0 Mo V N b N 的 高 温 疲 劳 强 度 高 于 2 C r l 2 N i Mo l W1 V、 1 C r l 1 Mo V等叶片钢， 如表 2所示。 表 1 2 C r l 0 Mo V N b N叶片钢与 2 C r l 2 N i Mo l W1 V、 1 C r l 1 Mo V等叶片钢的抗拉强度比较 表 2 2 C r l 0 Mo V N b N叶片钢与 2 C r 1 2 N i Mo l W1 V、 1 C r l l M o v等叶片钢的高温疲劳强度比较 从表 2 可以看出， 2 C r l 0 Mo V N b N钢具有非常优良的高温 疲劳性能。 3 高温持久强度性能 持久强度是钢在一定温度和一定应力下抵抗断裂的能 力， 能支持时间愈久， 则钢抵抗断裂的能力愈大。在电站用 钢中， 工件的设计寿命一般为1 0 0 0 0 0 h 。但进行这么长时间 的试验需要耗费大量的人力、 物力， 难度很大， 因此通常采用 缩短持久试验时间的方法。目前， 国内外 比较认可的试验方 法是L M参数法。 采用 M一 4 J 型试验机进行了持久性能试验， 根据试验数 据得出2 C r l 0 Mo V N b N钢的一 曲线， 如图2所示。 卷 曛 靶 数 T G 5 + l 。 g t ) 1 0 图 2 2 C r l 0 Mo V N b N钢 的 一肘参数曲线 通过 一 参数， 温度 、 应力和时间建立了当量关系， 已 知其中的两个参数， 便可以通过曲线得出第三个参数。因 而， 从曲线外推出 2 C r l 0 Mo V N b N钢在 5 6 6 C、 1 0 00 0 0 h的持 久强度为 1 8 4 MP a 。 4 物理性能 4 1 临界温度 临界温度是钢加热和冷却时发生相变的温度， 是制定热 处理工艺的依据。只有经过合理的热处理， 钢才能获得满足 使用要求的性能。 采用 G l e e b l e 3 5 0 0热模拟试验机测定钢的连续冷却转变 曲线， 如图3所示。 2 C r l 0 Mo V N b N为亚共析钢， 从图 3可知， 钢的A 。 、 和 分别为7 2 6 、 8 3 8 c c和3 8 0 。 4 2 线胀 系数 膨胀系数是反映物体热胀冷缩特性的参数， 通常指温度 变化 l C物体单位长度的变化量， 也称为线膨胀系数。由于 机组在启停机时温度变化很大， 因此要求钢具有低的线胀系 数。 试验 中采 用 石 英 拉 杆 式 膨 胀 计、 千 分 表 法 测 定 2 C r l 0 Mo V N b N钢的热膨胀系数， 具体情况如图4所示。 一 般， 在没有相变时， 钢的线胀系数随温度的升高连续 增大。从图4可知， 2 C r l 0 M o v N b N钢的平均线胀系数随温度 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第4期 彭建强等： 高温叶片钢 2 C r l 0 M o V N b N的应用性能研究 3 1 7 p 、 赠 _ 一 ： ： ： j ： ： ： - I u 、 、 、 t d 、 、 、 f t 、 j 一 l 、 | E 1 | l f 一_ | I+B 5 9 1 一 I 1 4 9 5 l 7 1 5 0 12 l 1 I I 1 I I I I l _ I I |一 _ Hv 4 4 5 O - l l l I 时间 s Ar=1 1 5 0 C， Ad =7 2 6C， 43 = 8 3 8 C， M, = 3 8 0 C 图3 2 C r l 0 M o V N b N钢的连续冷却转变曲线 图 4 2 C r l 0 M o v N b N钢的平均线胀 系数 曲线 的升高连续增加， 且较低， 在 2 0 t 27 0 0 C范围内为1 2 6 1 O一 。 5 钢 的强化 机理 2 C r l 0 Mo V N b N钢良好的高温性能是由于其含有多种强 化元素。钢除了含有 C r 、 Mo等固溶强化元素外， 还含有 V、 N b 、 N等弥散强化元素。浜 田一志等人 通过试验证实 ， 含 N的改良9 一1 2 C r 钢， 其蠕变强化因素是 N b 、 V复合碳 氮化合物析出强化。N b 、 V复合碳氮化合物的形态是以球状 N b ( C。 N) 为核心， 周围有翼状 V ( N， C) ( VWi n g ) ， 见图 5 。 含氮量较高的钢， VWi n g较大、 持久强度较高。由于 V Wi n g的特异形态， 位错的攀移受到限制， 通过抵抗形变能力 更高的奥罗万机制进行强化的可能性被大大增加。 一 6 结束语 图 5 N b 、 V复合碳氮 化物的形 态 ( 1 ) 2 C r l 0 Mo V N b N钢在低温阶段延伸率和断面收缩率 缓慢下降 ， 在中温阶段塑性最差 ， 进入高温阶段后随温度升 高塑性大幅升高， 符合1 2 C r 钢的一般规律， 高温瞬时拉伸 性能优 良。 ( 2 ) 2 C r l 0 M o V N b N叶片钢具有较高的高温疲劳强度， 5 3 8 C和5 6 6 时高温疲劳强度分别达到4 1 5 M P a和4 0 5 MP a ， 高于其它几种叶片钢。 ( 3 ) 由一 曲线外推得到 2 C r l 0 M o V N b N钢在 5 6 6 C、 1 0 00 0 0 h下的持久强度为 1 8 4 MP a ，