文1第二十高温合金涡轮叶片的热加工

1、第二十八章高温合金涡轮叶片的热加工现代涡轮叶片大多采用铸造高温合金。然而，变形高温合金涡轮叶片也还在广泛应用。在我国 GH4049 和 GH4037 是两个使用最广泛的一、二级涡轮叶片合金。此外，GH4033、GH4133、GH4220、GH4093 和 GH4413 等也在不同类型的发上制作涡轮叶片，其中 GH4413 是作者等近年研制的大型先进燃气轮机涡轮叶片材料1。涡轮叶片或称涡轮工作叶片是和燃气轮机最关键的零件之一，它的工作条件最荷刻，常常承受气动负荷、振动负荷和离心负荷的综合作用，同时还承受高温、热冲击和燃气的腐蚀作用。而且涡轮叶片形状复杂，一般由叶身、伸根段和榫头三部分组成。这就给

2、变形高温合金涡轮叶片的热加工提出了更高要求，也带来了更大的。涡轮叶片的过程，首先是优质钢锭的熔炼和浇铸，然后是开坯、轧制，最后是由棒材进行顶锻、预锻和终锻，获得涡轮叶片毛坯。下面以 GH4413 合金为例介绍变形高温合金涡轮叶片的热加工。28.1大型燃气轮机用 GH4413 合金涡轮叶片的热加工28.1.1 铸锭的开坯在第二十一章真空感应炉冶炼和第二十四章真空自耗重熔中，本书作者介绍了 GH4413 合金在ZG0.5 型 500kg 真空感应炉冶炼并浇注成两支200mm 电极棒，然后在 L70097 型真空自耗炉上对 GH4413 电极棒进行自耗重熔，制成250mm1200mm铸锭，重 380

3、kg，主要化学成分和微量杂质元素均合格。GH4413 合金锭表面磨光后，在 2000T 快锻机上锻造开坯。合金锭加热工艺见图 28-12，锻造开坯工艺见表 28-12。为防止锻造开坯过程中温降过快，合金锭在加热和锻造时都加盖保温毡，且模具和锻锤头都预热。采用上述工艺措施，最终经过四火锻造出表面质量良好的、尺寸为170mm1800mm、重 280kg 的 GH4413 合金棒坯。图 28-1 工业规模 GH4413 合金锭加热工艺表 28-1 工业规模 GH4413 合金锻造开坯工艺28.1.2 棒坯轧制轧制是将金属坯料通过转动轧辊间的缝隙，使坯料承受压缩变形，而在长度方向产生延伸的过程。轧制的

4、目的与其它压力加工方法一样，得到所需形状和改善组织并提高性能。GH4413 合金锻坯经切头和表面磨光后，切割成尺寸为160mm400mm 的棒坯，在250 型四辊轧机轧制成尺寸为59mm3000mm 的热轧棒材，加热工艺见图 28-1，热轧工艺见表 28-2。热轧棒材最终机加工成尺寸为53mm605mm 的成品棒材，表面光洁度 R=3.2m，棒材外形见图 28-22。表 28-2工业规模 GH4413 合金热轧制工艺图 28-2工业规模GH4413 合金热轧棒材28.1.3 轧制棒材的检验依据中国金属企业标准GH4413 镍基高温合金热轧棒材技术条件（标准号：Q/KJ.J02.15-2003）

5、，对工业规模 GH4413 合金热轧棒材进行了出厂检验与复验。检验结果表明，研制的 GH4413 合金的成分、组织与性能都达到了技术条件要求。轧制火次开轧温度终轧温度变形量道次与孔型尺寸变化第一火1150102012.1%四道次(园菱方圆)160mm150mm第二火113012.9%150mm140mm第三火110038.3%140mm110mm第四火118032.6%三道次(圆菱方)110mm80mm 方第五火118057.3%五道次(方菱方椭圆圆)80mm 方59mm锻造火次位置开锻温度终锻温度变形量形状变化第一火锭头111098018.5%250mm 圆200mm 方第二火锭尾18.5%

6、250mm 圆200mm 方第三火锭头43.3%200mm 方170mm 圆第四火锭尾43.3%200mm 方170mm 圆1化学成分分析GH4413 合金化学成分的检验(抚钢)和复验(金属所)结果见表 28-33，并与技术条件的要求进行了对比。由表 28-3 可见，金属所复验结果与抚钢检验结果一致，说明工业规模 GH4413 合金的化学成分满足技术条件要求。其中，C、Al 元素控制在中下限，Cr、W、Mo、V、Ti 等元素控制在中限，微量有益元素 B、Ce 收得率较高，杂质元素和有害元素，特别是O、N气体含量，控制在较低水平。表 28-3工业规模GH4413 合金化学成分的检验和复验结果(w

7、t%)注 1：抚钢在自耗锭头、尾部分别取样分析C、Al、Ti、Mg、Si 元素。注 2：B、Ce 按计算量加入，允许不进行化学成分分析2力学性能检验在热轧棒材上切取试样经过标准热处理(121010，保温 2h，空冷105010，保温 4h，空冷85010，保温 16h，空冷)，然后进行力学性能检验，结果见表 28-43。金属所复验结果与抚钢检验结果一致，说明工业规模 GH4413 合金棒材的力学性能满足技术条件要求。与技术指标相比，工业规模 GH4413 合金 850高温抗拉强度高 30%左右，延伸率高 100-150%，持久高 50-100%。CCrWMoVAlTi金属所0.0414.826

8、.053.270.502.482.00抚钢0.050.04114.556.053.280.452.502.561.961.87技术条件0.04-0.1013.0-16.05.0-7.02.5-4.00.2-1.02.4-2.91.7-2.2NiBCeMnSiPS金属所余0.0130.010.010.110.0010.003抚钢余0.020.020.040.100.090.0040.001技术条件余0.020.020.50.60.0150.009FeCuAgAsbSb金属所0.180.010.00010.00050.000050.00010.0001抚钢0.210.070.00050.00150

9、.00010.0010.001技术条件5.00.070.00050.00150.00010.0010.001SnMgON金属所0.000500040000400011抚钢0.0012000350000500011技术条件0.0120.0050.010.01表 28-4 工业规模GH4413 合金的力学性能3低倍组织检验依据国标 GB/T14999-94 规定的检验方法，对工业规模 GH4413 合金热轧棒材的纵向与横向低倍组织、纵向断口进行了检验，结果满足产品标准要求，见表 28-53。表 28-5 工业规模 GH4413 合金热轧棒材的低倍组织和断口检验结果横向低倍组织检验纵向低倍组织检验纵

10、向断口检验金属所依据国标 GB/T14999.3-94 规定的检验方法，工业规模 GH4413 合金热轧棒材纵向断口无分层现象。依据国标 GB/T14999.5-94 规定的检验方法，工业规模 GH4413 合金热轧棒材纵向断口疏松为 1 级。抚钢工业规模 GH4413 合金热轧棒材纵向断口无分层现象。工业规模 GH4413 合金热轧棒材纵向断口疏松为 1 级。Q/KJ.J02.15-2003在经热处理的纵向试片上检验断口组织时，不允许存在分层；断口疏松按GH4049 合金的标准，1-2 级合格。金属所依据国标 GB/T14999.5-94 规定的检验方法，经酸浸的工业规模 GH4413 合金

11、热轧棒材纵向试样的低倍组织符合图的图 10。抚钢合格。Q/KJ.J02.15-2003在经热处理的酸浸纵向试样上检验低倍组织时，应符合GB/T 14999 的规定，按 GH4049 合金的标准执行，其中图 2、图 9、图 10 合格，图 3、图 4、图 11 不合格。金属所依据国标 GB/T14999.2-94 规定的检验方法，在经酸浸的工业规模 GH4413合金热轧棒材横向试样上检验低倍组织时，无肉眼可见的缩孔痕迹、空洞、裂纹、针孔和夹杂等缺陷。抚钢合格。Q/KJ.J02.15-2003在经酸浸的横向试样上检验低倍组织时，棒材不得有肉眼可见的缩孔痕迹、空洞、裂纹、针孔和夹杂等缺陷。850高温

12、拉伸性能b，MPa0 2，MPa，金属所75564521.026.077065520.023.0抚钢75020.019.074016.019.0技术条件588812850/265MPa 持久性能室温硬度(HBd)，h延伸率，%金属所81.503.4306114.855.7抚钢50.029850.0298技术条件502693414组织检验依据国标 GB/T14999-94 规定的检验方法，对工业规模 GH4413 合金热轧棒材的纵向组织进行检验，未发现细晶带状组织，晶粒度为 3 级。5超声波探伤依据国标 GB/T 4162，采晶纵波脉冲反射法对工业规模 GH4413 合金热轧棒材逐根进行了超声波

13、探伤检验，结果达到 AA 级，合格。6外形尺寸和表面光洁度对工业规模 GH4413 合金热轧棒材逐根进行了外形尺寸与表面光洁度检验，合格。上述检验结果表明，工业规模 GH4413 合金化学成分、组织和性能都满足技术条件和相应标准要求。可以进行叶片锻造试制。28.1.4 叶片锻造变形程度试验首先进行了 GH4413 合金临界变形程度试验和变形程度试验。工艺试验与理化检测结果4表明：国产 GH4413 合金在锻造 5变形程度时有晶粒粗大现象，变形程度大于 5则不发生明显的粗晶现象，由此可以确定国产 GH4413 合金在加热温度为 1170时的临界变形程度应为 5左右，锻造时应尽量避免进行 5左右的

14、变形。国产 GH4413 合金经 30、40、50、60四种变形程度试验后，试样均未见明显锻造缺陷和其它冶金缺陷。可见国产 GH4413 合金热塑性好，具有较宽的锻造变形程度范围，可以在加热温度为 1170时进行 60以下变形程度的锻造。具体比较 30、40、50、60四种变形程度的试验件实物，可以看出随着变形程度的增大，叶片组织的均匀性越来越高。比较国产 GH4413 合金临界变形程度试验和变形程度试验两项工艺试验的试验件和国外同类叶片实物组织，可以看出国产 GH4413 合金的晶粒度明显较细，有利于叶片锻造后获得较细的组织。2顶锻、预锻和终锻高温合金涡轮叶片模锻往往分为顶锻、预锻和终锻三步

15、。根据表 28-64所示的叶片锻造工艺，对 GH4413 合金热轧棒材进行叶片模锻试验。第一次顶锻件见图 28-3(b)，第二次顶锻件见图 28-3(c)，第一次预锻件见图 28-3(d)，第二次预锻或初模锻件见图 28-3(e)，最后经一次终锻完成模锻，终锻件见图 28-3(f)。最大终锻压力为 44 气压（约为 37.5 吨米），其中一部分叶片终锻加热温度实为 11750C，另一部分叶片终锻加热温度实为 11620C。模锻试验表明，国产 GH4413 合金热塑性好，锻造性能良好，能够满足叶片锻造工艺要求。由于能够使用较大终锻压力，国产 GH4413 合金模锻叶片实物质量较理想，几何尺寸已达

16、到锻件图要求，对保证叶片力学性能达到要求十分有利，因此也有利于零件的加工。叶片表面质量状况达到了叶片验收技术协议要求。随后，选取 3 号和 5 号叶片进行标准热处理，检验组织与性能。热处理制度为：12100C,+ 10500C, 4h, AC + 8000C, 16h, AC。2h,AC表 28-6大型燃气轮机 GH4413 合金第 5 级涡轮叶片的锻造工艺图 28-3 GH4413 涡轮叶片的模锻(a)，棒材料段；(b)，第一次顶锻；(c)，第二次顶锻； (d)，第一次预锻；(e)，第二次预锻；(f)，终锻序号工序过程设备工艺要求1来料检查2加热高温电炉1170100C 保温 60-80 分

17、钟3顶锻（一端）卧锻机停锻温度10600C，锻后空冷4加热高温电炉1170100C 保温 60-80 分钟5顶锻（另一端）卧锻机停锻温度10600C，锻后空冷6检查缺陷将裂纹、龟裂、重皮等缺陷标出7打磨缺陷砂轮机将标出缺陷打磨净，但要圆滑转接8加热高温电炉1170100C 保温 60-80 分钟9预锻40 吨米液气锤停锻温度10600C，锻后空冷10检查缺陷将裂纹、龟裂、重皮等缺陷标出11打磨缺陷砂轮机将标出缺陷打磨净，但要圆滑转接12吹砂表面13涂玻璃工件预热 60-800C，涂层要均匀14加热高温电炉1170100C 保温 60-80 分钟15初模锻40 吨米液气锤欠压 7mm，停锻温度1

18、0600C，锻后空冷16喷丸或吹砂表面17检查缺陷将裂纹、龟裂、重皮等缺陷标出18打磨缺陷砂轮机将标出缺陷打磨净，但要圆滑转接19吹砂表面20涂玻璃工件预热 60-800C，涂层要均匀21加热高温电炉1170100C 保温 60-80 分钟22终模锻40 吨米液气锤按锻件图的正尺寸公差模锻23喷丸或吹砂表面24终检检查叶片外观与尺寸28.1.5 叶片毛坯解剖分析依据图 28-45所示取样示意图对 3 号模锻叶片毛坯进行解剖。其中 L-L 面为纵剖面，检查纵向低倍组织。A-A，B-B，C-C，D-DE-E 面为横剖面，检查横向低倍组织。a，b，c，d 为性能试样，检查高温拉伸和高温持久性能。e-

19、z 共 21 个小块试样，检查组织，进行晶粒度检查。同样，对 5 号模锻叶片毛坯进行类似解剖并作类似图 28-4 3 号模锻叶片及取样部位图1纵向低倍组织图 28-55给出了 3 号模锻叶片毛坯的纵向低倍组织，可见叶片纵向组织晶粒细小、均匀，无肉眼可见的冶金缺陷或加工缺陷，流线分布流畅而完整。但发现在叶背处存在粗晶带，粗晶带尺寸为宽 9mm，长 80mm，最大晶粒尺寸 2mm。5 号模锻叶片毛坯的纵向低倍组织与 3 号叶片类似，粗晶带尺寸为宽 7mm，长 100mm，最大晶粒尺寸5mm。均符合技术要求。图 28-5 3 号模锻叶片纵向低倍组织（图 28-4 的L-L 剖面）（a）部位与靠近的叶

20、身部位，（b）叶身部位，（c）靠近的叶身部位与部位2横向低倍组织图 28-65给出了 3 号模锻叶片的五种不同部位的横向低倍组织，可见叶片横向组织晶粒细小、均匀，无肉眼可见的冶金缺陷或加工缺陷。5 号模锻叶片毛坯的横低倍组织与 3 号叶片类似。图 28-6 3 号模锻叶片不同部位横向低倍组织(a)部位（图 28-4 的A-A 剖面）,(b) 靠近的叶身部位（图 28-4 的B-B 剖面）,的叶身部位（图 28-4 的D-D 剖面）,(c)叶身部位（图 28-4 的C-C 剖面）, (d) 靠近(e)部位（图 28-4 的E-E 剖面）3晶粒度根据 GB/T 6394-2002 标准金属平均晶粒

21、度测定方法，对 3 号模锻叶片不同部位（包括7 个部位，叶身 9 个部位，7 个部位）进行晶粒度，见表28-75。由表可见，3 号模锻叶片的叶身部位平均晶粒度为 2.3 级，部位平均晶粒度为 2.0 级，部位平均晶粒度为 1.4 级。5 号叶片叶身部位的平均晶粒度也是2.3 级，部位的平均晶粒度为 2.7 级，而部位的平均晶粒度为 2.2 级。结果表明，国产 GH4413 合金生产的模锻叶片组织优于进口料模锻叶片及粒度大于 1 级）。样件（晶表 28-73 号模锻叶片不同部位的晶粒度4力学性能对 2 件 GH4413 合金模锻叶片毛坯切取试样检验力学性能的结果表明，均符合技术条件要求，见表 2

22、8-85。特别是拉伸延伸率和面缩率明显高于技术条件要求，表明 GH4413 合金模锻叶片具有优异的塑性，十分有利于下一步的精密加工。叶片部位样品晶粒度级别平均晶粒度级别叶 根GH4413-Y3-t2.52.0(1.5-2.5)GH4413-Y3-u2.5GH4413-Y3-v2.0GH4413-Y3-w1.5GH4413-Y3-x1.5GH4413-Y3-y2.5GH4413-Y3-z2.0叶 身GH4413-Y3-e2.02.3(2.0-2.5)GH4413-Y3-f2.5GH4413-Y3-g2.5GH4413-Y3-h2.5GH4413-Y3-i2.0GH4413-Y3-j2.0GH44

23、13-Y3-k2.0GH4413-Y3-l2.5GH4413-Y3-m2.5叶 顶GH4413-Y3-n1.51.4(1.0-2.0)GH4413-Y3-01.0GH4413-Y3-q1.0GH4413-Y3-r2.0GH4413-Y3-s1.5表 28-8GH4413 合金模锻叶片的力学性能检验结果室 温 硬 度850 高 温 拉 伸 性 能850/265MPa 持 久 性 能对国产 GH4413 合金的 2 件模锻叶片解剖分析表明，叶片组织均匀、致密，无肉眼可见的冶金缺陷或加工缺陷，流线分布流畅而完整。模锻叶片晶粒细小，晶粒于进口合金模锻叶片及样件。模锻叶片力学性能完全满足技术条件要求。相

24、比较而言，5 号模锻叶片加热温度低，模锻压力大，组织更为细小，综合力学性能更为优异，所以，应采用 5 号模锻叶片的锻造工艺为大型燃气轮机第 5、6 级涡轮叶片的制造工艺。28.2用 GH2135 合金涡轮叶片的热加工上世纪 60 年代初，由于我国缺少物资镍，中国的科研发展了一系列铁发展了铁基高温基高温合金，试图代替相应镍基高温合金，如中国合金 GH2135 代替镍基合金 GH4033，钢铁研究总院和金属钢研所分别发展了 GH2130发展了 GH1140 代替 GH30396。本书作者 1962和 GH2302 代替 GH4037，航空材料年大学毕业，参加了 GH2135 合金的研究。研制 GH

25、2135 合金最初的主要目的是代替GH4033 制作 BK-1A 和 BK-1以及另外一种发的涡轮叶片。稍后，也是上世纪以代替 GH4033 合金7。本节将60 年初，开始用 GH2135 合金制作喷气发简要介绍 GH2135 合金制作涡轮叶片的简况。涡28.2.1 GH2135 合金涡轮叶片的热加工持久，小时持久塑性，%GH4413-Y373.754.96GH4413-Y5121.428.40标准要求50b，MPas，MPa，GH4413-Y362852628.029.7GH4413-Y563455929.230.0标准要求5856.09.0GH4413-Y3HB313HB313HB313平

26、均：HB313GH4413-Y5HB285HB285HB288平均 HB286标准要求HB 269-341采用特钢厂生产的 GH2135 合金26mm 棒材制作涡轮叶片。锻造工序与 GH4413 基本相同。也是采用顶锻、预锻和终锻工序。所不同的只是叶片尺寸较小，重量较轻。而且只有一次顶锻和一次预锻8。GH2135 合金叶片模锻用的是卧锻机顶锻与机械压力机预锻和终锻工艺路线。加热温度为 10801100，终锻温度大于 950。模锻件经过热处理后，可以得到均匀细小晶粒，很少出现个别大晶粒及不均匀现象。从这点来看，比 GH4033 合金好。但在顶锻和预锻的变形过渡区和变形量较小的部位，在固溶处理后却

27、出现个别大晶粒。不过经过终锻后的模锻件从来没有发现过大晶粒和不均匀现象。这说明只要终锻变形量达到一定程度时，原始晶粒是没有影响的，从这点出发，对原始棒材晶粒度的要求似乎可以放宽些9。详细工艺不再赘述。28.2.2 GH2135 合金涡轮叶片试车简况GH2135 合金代替 GH4033 镍基合金作涡轮叶片材料，主要用于 BK-1A 和 BK-1发，从 1965 年开始至 1971 年止，在三种类型发上共进行了七次挂片和台架试车，详见表 28-99。在整个试车过程中，除在发修理厂进行的四次挂片试车没有发生事故外，在发制造厂的三次试车都发生过叶片折断事故，有的发生在 10 几小时、有的则在几百小时之后损坏。虽然有几次挂片试车都得到了满意的结果，的长达 882 小时，超过了当时对437涡轮叶片规定的 640 小时的使用，也超过了当时修理厂对这种叶片规定的 750 小时。但由于叶片数量不多，且因三次叶片折断事故的发生，因此，至今对 GH2135 合金能否作为 700左右使用的涡轮