烟气轮机涡轮盘和叶片用WASPALOY合金研究

周井华

摘要：本研究针对烟气轮机涡轮盘和叶片用WASPALOY合金进行研究的合金的成分、合金的理化特性、冶炼以及加工等方面进行对此合金材料的阐述，拟通过对合金的特性进行全面的分析，最终提出相应的改进意见，为烟气轮机涡轮盘和叶片用WASPALOY合金的研究技术有一些指导建议，为其发展提供一些帮助。

关键词：烟气轮机；涡轮盘；叶片

研究背景

随着我国经济的不断发展，在这样的大背景下，工业也得到了长足的发展，人们的生活质量也在不断地提高，节能环保的呼声也在逐渐的升高。目前石油系统对都将裂化过程中产生的热量利用烟气膨胀装置发电，从而做到再利用，最终做到了适应环保安全同时也提高了石油系统的经济效益。烟气轮机是一般大多数炼油工厂利用裂解而产生预热来发电的重要装置。然而烟气轮机中的涡轮盘以及叶品是整个烟气轮机系统的核心部件。炼油过程中催化裂化装置产生的高温烟气条件非常恶劣，工作环境往往是非常的高温环境，这样就会加速烟气轮机的内部构件老化，因此炼油厂对于烟气轮机的要求就要相对较其他机器高。同时炼油厂产生的烟气中常常含有大量的S、C等元素，在高温条件下与水和氧气进行化学反应，很容易产生SO2、SO3、H2S、CO等有害气体，这些具有腐蚀性的气体在烟气轮机中高速流动，产生了强腐蚀性，会对烟气轮机造成损害，降低其使用寿命[1]。一旦烟气轮机出现问题，后果将不堪设想。因此，在对烟气轮机设计过程中，对烟气轮机的涡轮盘以及叶片的设计就成了非常重要的关键技术。WASPALOY目前已经广泛的应用带了烟气轮机的涡轮盘以及涡轮叶片的制备中来，并且经过长期的时间验证，结果发现WASPALOY材料的涡轮盘以及叶片是非常可靠、非常安全的。

1.WASPALOY合金的合金元素作用以及合金的化学成分

国际上标准的WASPALOY合计的化学成分主要包含了C、P、Co、Al、Fe、Mn、S、Mo、B、Cu、Si、Cr、Ti、Zr、Ni，其中Ni作为基体占据了合金的50%含量，其次为Cr占据了20%，Co排列在第三位，占据了15%左右，其余的元素均呈现出微量的存在。目前随着合金技术的不断创新以及发展，尤其是在WASPALOY的出现，目前WASPALOY合金技术已经发展到了一定领域，目前的合金成分也发生了巨大的变化，由于不同的冶炼方式所需要的合金含量成分也是不一致的，最终导致了WASPALOY合金技术已经更加的完善，更加的耐高温[2]。

2.WASPALOY合金中的平衡析出规律以及合金中的析出相

WASPALOY合金中的化学成分对于合金平衡相规律的影响主要体现在了从热学的角度上来说，可以计算材料中的Gibbis的最小自由能从而来得到材料中的可能的析出平衡相，同时通过Thermo-Calc软件还可以计算出各个析出相相对应的析出规律。本研究经过Thermo-Calc软件依据基体Ni元素的数据库最终对合金中其他元素进行了热力学计算，最终的结果显示，合金中的典型化学成分与传统的WASPALOY化学成分结果并不是一致的，本研究的计算结果为（wt%）：1Fe，1.5Al，4Mo，19.2Cr，3.9Ti，0.23C，作为基质Ni的含量占据了主导地位。最终本研究通过各个元素的含量通过热力学平衡相相关公式计算，最终结果得出了WASPALOY合金中各个元素各相析出量与材料本身温度的非线性关系。

合金在经过高温如处理过后，面心的立体结构就变成了合计的Ni元素，由于经过高温处理后，WASPALOY合金中的大多数元素均变成了固溶体状态，因此就可以根据固溶体状态中的元素的含量以及种类的不同计算出合金的点阵常数，本研究结果经过相应的计算得出了合金的点阵常数在0.371～0.411nm的范围之内。由于温度的不同，因此各个元素的r相内相应的溶解度也是不一样的，此外溶解度的变化同时还会相应的析出相与碳化物发生反应。因此为了可以更好地提高WASPALOY合金材料的耐高温强度，在制造合金的过程中应该首先考虑最大限度的提高Mo相关的难容元素在g相中的比例，最终可以最大限度的提升WASPALOY合金材料的耐高温程度，此外，为了保证合金材料中的个元素之间的平衡，在最大限度的增加Mo元素的含量过程中同时还要考虑相应的降低g相中的Cr含量。最终是合金材料保持一个平衡的状态。

3.WASPALOY合金材料的冶炼方式

自50年代的初期，WASPALOY合金被研制出来之后，由于技术刚刚被研发，而且相应的技术还不够成熟，起初的冶炼过程是在外界进行的，最终生产出来的WASPALOY合金材料的耐高温程度以及相应的性能均无法与现今的合金材料相比拟。随着WASPALOY合金技术的不断更新发展，目前的WASPALOY合金冶炼的场所已经从原来的大气中冶炼方式转移到了真空自耗重熔配合真空感应的加工方法，这种方法对于合金的耐高温性起到了大大提高的作用，致使目前依然又被WASPALOY制造技术所采用[3]。这种技术完美的解决了材料在冶炼的过程中出现不均匀的现象以及材料中一些难容的元素的问题。

4.结论与讨论

自从WASPALOY合金材料出现到目前为止已经有半个世纪之久，由于WASPALOY合金材料的特殊性，目前已经被广泛的应用到了烟气轮机涡轮盘和叶片的制备过程中来，并且已经取得了非常好的效果，收到了社会各界的高度认可以及高度评价。但是，随着我国炼油技术的不断创新、不断发展，对于烟气轮机涡轮盘和叶片的制备材料的要求也在不断地增加，因此为何得到更好的发展WASPALOY合金技术也同时需要不断地变革，目前的合金制造的变革主要集中在工艺上的发展，目的是使合金材料得到不断地纯化。总而言之，目前的WASPALOY合金材料正在不断地发展改进从而适应社会的需求。

参考文献

[1] 郝传龙， 董建新， 张麦仓， 等. 某烟气轮机动叶片榫齿断裂原因分析[J]. 失效分析与预防， 2006， 1（4）： 34-37.

[2] 洪成淼， 董建新， 张麦仓， 等. GH4738 合金烟气轮机涡轮盘组织和力学性能研究[J]. 动力与能源用高温结构材料——第十一届中国高温合金年会论文集， 2007.

[3赵双群， 谢锡善. WASPALOY 合金长期时效过程中的组织演变和性能变化[J]. 机械工程材料， 2006， 30（10）： 62-64.]