研制直径2000MM超大型高温合金涡轮盘的新技术

50 宝 钢 技 术 2005年第 5期 研制直径2000mm超大型高温合金涡轮盘的新技术 马天 军 ，金 鑫 ，赵 王 才，赵雅 婷 (特殊铜分公司 技术中心，上海 200940) 摘要：介绍 了一种研制超大型高温合金涡轮盘的新技 术，其核心是大型高温合金钢锭冶炼 和超 大型高温合金涡轮盘的锻造成型工艺 通过对大型高温合金钢锭 冶炼工艺的研 究，成功 试制 出了国内最大高温合金钢锭——【；H2674合金 +900的钢锭 ，其成分及面均满足使 用要 求，并通过 4 000 t快锻制备了超 大型涡轮盘所需的圆柱体坯料：同时根据国内现有的锻造设 备的特点，将涡轮盘的锻造工艺进行 了改进，开发 了分区变形的锻造工艺 采用该工艺，成功 试制出 西l 840～2 l18的超 大型高温合金涡轮盘 ，为我 国重型燃气轮机发展打下坚实的基础 关键词 ：重型燃气轮机 ；涡轮盘：高温合金；分区锻造 中图分类号：TGl 36 ．2 文献标识码：B 文章编号 ：l008—07l6(2005)05—0050—05 A New Technology for Development of~b2000 mm Extra-Large Turbine Disk M ade of Superalloy MA Tian-jun JIN Xin ZHAO Yu·cai ZHAO Ya·ting (Special Steel R & D Center of Special Steel Branch，Shanghai 200940，China) Abstract：A new technology for development of the extra—large turbine disk made of superalloy is introduced．The core of the neⅥ te<·hnolog) is the ingot’S remehing and turbine disk’s forging molding．W ith series of studies on ESR lechnology oJ supel’alloy ingots，the largest superalloy ingot— GH2674 with ~b900 has been suceessfull~dP、．eloped，and both its chemical composition and surface qualit? meet requirements of servk e．NoN the ingots have been manufactured into cylinder billet used to produce extra—large turbine disks by a 4 000一ton forging pl’ess．On the basis of the domestic forging press characteristics，the forging teehm)log) has been improved and a new forging technology known as zoned forging was developed．W ith this te( hnology，extra—large turbine disks with diameters ran— ging from击1 840 to击2 1 18 have been Sll( essfulb d eloped by a 4 000一ton high speed forging press．Which lays a solid foundation for the(1P、felopment ol our heavy—duty gas turbine． Key W ords：hea、 、 一duty gas turbine，turt)ine disk，superattoy，zoned forging 1 概述 随着我国国民经济 的发展 ，用 电需求 }{益增 加 ，电力供应严重不足 ，单靠水力和蒸汽发电已小 能满足用 电需求。燃气轮机发电具有效率 高、成 本低及污染小等特点 ，已成为电 力供应的重要新 途径 ，因而在世界范 围内得到了广泛的J 用 目前 ，l0～20万 kW 级 的燃气轮饥的研 制已 被我国列入最近和今后几年发展的重点 由国内 §天军 师 1971年q， 1995年 业于 尔北 大 、 ’ 从 事 材料研究 作 电话 26032696 某航空发动机公司承担设计和制造的某重型燃气 轮机项 目已被科 技部列入 国家 “863”项 目，该燃 饥设计能力为 l1万 kW，是 目前 国内 自主开发的 最大的燃气轮机，其设计和制造难度大 ，使用材料 要求严格 ，特别是该燃气轮机 承受高温的核心部 件——高温合金涡轮盘最大直 径达到 2 000 mm 以上 ，最大毛坯重 6 t多 ，国内从 未生产过 ，难度 1E常大，能否研制开发出这样 超大 型高温合金涡 轮盘 ，是这台重型燃气轮机研制成败的关键 。 高温合金涡轮盘是在高温下高速旋转的部件 ， 是燃气轮机的心脏，对材料的技术要求很高。航空 维普资讯 http://www.cqvip.com 马天军等 研制直径 2000ram超大型高温合金涡轮盘的新技术 5l 发动机的涡轮盘直径较小，一 般在 700 mm以下 ， 轮盘相比，是一次非常大的飞跃。如何研制生产出 烟汽轮机和燃气轮机的涡轮盘直径比航 发动饥 超大型高温合金涡轮盘，对我们 是非常严峻的考 大，一般都在 700 mm以上 历史上试制成功的田 验 ，但是要发展我国 自己的重型燃 气轮机，就必须 内最大的高温合金涡轮盘是 GH2l32合金 4,1250 自主研制出超大型的高温合金涡轮盘 盘 ，由原上海五钢公司(现特殊钢分公州)，{ 产，伍 两南铝业公 司3万 t水压饥 锻造成功 ， 燃 2 超大型高温合金涡轮盘的工艺设计 气轮 机 刖 的超 大 高 温 会 满轮 轴的 J 、J‘ 大型高温合金涡轮盘 的传统锻造方法是采用 4,1850～2200之间，与我 以 牛产的高温 金涡 自由锻造或模锻 ，其生产工艺如下 ： 钢锭冶炼 + 钢锭 坯 一 ⋯ 体 一 ⋯ {I锻艘(己上不) 一 热处理 一 粗加J-一 性能检验 ⋯ +交货 + 锻饼H、 +模锻盛(毛1-4；)一 从生产的工艺流程中可以看出，钢锭的大小 、 圆柱体规格 以及涡轮盘 的毛坯 尺 、j‘、质量足 由成 品尺寸 、质量决定的，超大型的高温合金涡轮盘必 须冶炼超大的钢锭 、制备超大 的圆柱体 从表 l 可以看出，超大型涡轮盘所需的钢锭非常大，直径 达到 900 Ill111，国内从未生产过，制备的圆f}体比 生产 l250烟机盘所需 的钢锭 还大。随着 涡轮 盘规格和质量 的增大 ，整个流程 中的所有工 序的 难度都随之增大 ，如电极制备 、坯料制备 、热处理 、 机械加工等的难度都大大增 加，但难度增加最大 是钢锭冶炼和涡轮盘锻造，这是大型高温合金涡 轮盘研制的两道难关。 表 1 不同规格高温合金涡轮盘坯料及锻造设备 Table 1 Billet and forging hid(·hines }r different superalloy turbine disks (1)钢锭冶炼 ：由于高温合金的合金 化程度 高，成分复杂，易出现偏析，特别是当钢锭扩大时， 钢锭的成分 、表面 以及内在质量的控制难瞍都随 之加大 ：所 以，我 国高温合金发 展了 几 卜年， 最大的钢锭 只有 4,660，重 3 t左右，而现在要将钢 锭直径一步扩大到 900 mm，重达 l0 t，技术 h难 度和风险可想而知：大型钢锭的冶炼是超大 高 温合金涡轮盘的基础，只有攻克大型钢锭 的冶炼 难关 ，才能进行后道工序的研制与生产 (2)涡轮盘的锻造：高温合金材料 合金化程 度高，变形温度范围窄、变形抗力大，比锻造其它 特钢材料难很多。从表 l可以看到 4,732的盘就 需要在 l2 000 t水压机上生产，现在涡轮盘直径 达到 2 200 mm，用什么设备生产 、怎样生产是摆 在我们面前的难题 。 无论是 自由锻造还是模锻的方法都需要锤头 (或模具)与坯 料全部接触 ，直径 2 200 mm的涡 轮盘，最大接触面积达到 380万 Illm ，是 4,1250盘 接触面积的 3．1倍 ，随着接触面积的增加 ，所需压 机的压力也将 大幅增 加。为 了确定 锻造 4,2200 的涡轮盘所需 的压机压力 ，我们运用数值模拟技 术对其进行了计算 ，并采用数值模拟软件对 传统 涡轮盘锻造进行模拟。假定保温技术可 以使锻造 过程温度恒定在 980~C，锤头与摩擦因数 、压下速 度等参数处 于最 佳的情 况下，模拟 GH2674合金 4,760圆柱体 自由锻造 4,2 200涡轮盘。模拟结果 显示压机要承受的最大压力是 4．9×l0 kN(5万 t)，也就是说按传统 的锻造工 艺至少需要 5万 t 左右的压机能力 ，才能满足锻造要求。我们 查阅 lr相关资料，发现国外的 4,2 000左右的超大型高 温合金涡轮盘均 是采用 5万 t以上 的压机生产 的，像 美 国的 Wyman—Gordon公司 和俄 罗斯 的 WSMPO—AVISMA均拥有 5万 t以上的压机 ，而 我罔最大的压机只有 3万 t，无法锻造 4,2000的超 大涡轮盘。 为了使我 国今后重 型燃 机的发 展不受制 于 人，我们决心开发出一种新的涡轮盘生产技术 ，在 国内现有设 备上生产超大型高温合金涡轮盘 ：冶 炼采用特殊 钢分公 司的 20 t保护气氛电渣炉冶 炼 +900锭 ；锻造在特殊钢分公司的 4 000 t快锻 维普资讯 http://www.cqvip.com 52 宝 钢 技 术 2005年第 5期 fJl上进行， 采f}j全新的锻造 [艺—— 多元分解 、 分区锻造的新 L 3 超大型高温合金涡轮盘的生产工艺 根据超大型高温合金涡轮盘的材质及技术要 求，确定 生产_L艺流程如 F： 钢锭(EF+ESR)一钢锭开坯 (4 000 t快锻 ) 一 圆注体( 光 )一满轮盘锻造(分区锻造 )一 热 处理一粗加 一性能捡验一交货 这里 重点介绍超大涡轮盘用钢 的冶炼 币¨锻造 型工艺 3．1 钢锭冶炼工艺 我们研 制的趟大涡轮盘的材质足 GH2674合 金，该合金足 一种铁基时效高温合金，其成分特点 是高钛低铝 (见表 2)，其钛铝之 比大于 7 这 种 温合金在电渣重熔时 ，Ti的烧损量 较大，而且 容易 现头尾 Ti偏差的现象，是电渣炉冶炼难度 较大的一一类 合金 ，根据 GH2674合金的特点选用 20 t保护气氛电渣炉 ，该设 备的特点是 町以控制 较低熔速，熔炼时还 町以充干燥空气 、氩气等不同 的保护气体防止易烧损元素的烧损 冶炼工艺是电弧炉 +电渣 ，采用 20 t电弧炉 冶炼 电极，电渣时选用 6900结 晶器，配合合理 的 渣系 、渣量 ，制定合理的电流 、电压等冶炼 工艺参 数 ，根据 Al、Ti成分特点选用合理的保护气氛，成 功试制出了国内最大的高温合金电渣锭(见图 1) 钢锭成分控制理想 ，头尾易烧损元素成分偏 差小(见表 2)，钢锭 表面 良好 ，通 过 4 000 t快锻 机锻造 出 6700左右的坯 料 ，并制备出合格 的圆 柞体 表 2 GH2674合金电渣锭化学成分 Fable 2 Chemi~-al(-‘l⋯p‘}sition ot ESR ingot ot GH2674 allm ． ％ 沪号 占1jf t： 440 —0082 440 —0072 440 —0053 440—00l4 440—0l30 技 术 准 图 1 GH2674合 金 6900电渣锭 Fig 1 6900 ESR ingot of(；H2674 allm 3．2 涡轮盘锻造 锻造时压机昕需压力同其与坯料的接触 积 成正比，根据这一特点我仃J设 计了多元分解分区 锻造的工艺方法，其核心是将 涡轮盘表面分成多 个区域 ，采用小戡面锤头局部多次锻造 ，减少锤头 和涡轮盘的接触面积，从而降低每次变形压fJ【所 需的 力 ，分区变形能够实现在小吨位压机上实 现大型涡轮盘的锻造：但高温合金材料随温度的 降低变形抗力迅速增加 ，压机听需的压力也急剧 增大 ，【人]此 ，设计 的方 法必 须解决好两个技术难 ：(1)如何缩短锻造时间，从传统工艺的整体锻 造到分区锻造 ，势必要增加锻造时 问：(2)如何 保证锻造温度 ，即要采取措施保证锻造始终在一 个理想的范 【韦】内进 行 针对第一点，选用的压机 要何较大的能力 ，同时还要具有动作频率快 、操作 灵活等特点 特殊钢分公 司4 000 t快锻机最大 的墩粗能力为 5 000 t，装 备先进 、操作灵活 ，是实 现分区锻造的最佳锻造设备；对于如何保温问题 ， 我们选用特殊钢分公司发明的一种特殊的保温材 料 ，在锻造时进行保温 ，可以实现整个锻造过程中 锻件温度保持在 950～l 000℃之间，从而为锻造 提供温度保障。 ∞ 一 ㈨ ∞ ㈣ 一 ㈨ ≤ 叭 7 4 O ● 0 8 8 5 7 ● 0 - ． ． 4 ● 7 7 7¨ 2 2 rJ 2 2 2 2 2 2 2 ● v __ rJ r】 rJ r_ ≤ 0 0 5 8 O 一 ■ 一 r{ 一 4 3 8 3 5 0 一 __ ■ __ l l 1 l l I 5 5 0 ● O ， O ¨ 5 0 5 5 0 ， 0 r _ 0 — 4 ● 5 【 一 5 一 一 一 一 4 ● ⋯ 一 ⋯ ～ ≤ ㈣ ㈨ ㈨ ㈨ 一 ㈨ 一 ≤ 叭 9 5 6 8 r_ _， rJ¨ r_ ，～ 一 2 ～ 0 一 ≤ 6 8 0 O 4 6 r_ 6 4 4 ； ≤ O 头 呓 呓 维普资讯 http://www.cqvip.com 马天军等 研制直径 2000ram超大型高温合金涡轮盘的新技术 53 经计算机数值模拟以及多次实物试验，最终摸 索出 r合删 的 变形J二艺 制度，将 圆 柱体 料 在 4 000 t快锻机上采用新的分 锻造方法 ，成功锻造 出丁一只 GH2674合金 西1900四级涡轮盘，随 我们 根据四级涡轮盘锻造中存在I'NJ题，对分区锻造 I 艺 厅法进行 r改进，第二批又锻造 出了多只 西190O～ 2200GH2674合金涡轮艋( 图 2、3) 采用分l≮锻造 的涡轮盘毛坯衷而无裂纹等缺陷，椭【目度小，肜状尺 、j 全部满足要求 实践证明，分区锻造的ll 法 完全Ⅱ丁以实现久型高温合金涡轮盘的锻造 ，『 川i县 仃可操作忡好，易于规模化生产等特点 图 2 GH2674合金 西1900～2200涡轮 盘 毛坯 rig．2 击1900 ～2200 serei-finished I LIlh_l1 (1i k oi( H2674 allm 图 3 GH2674合金 西21 1 8涡轮 盘 Fig 3 621 1 8 hlrbim，disk【1f GH2674 alh,x 4 超大涡轮盘组织和-陛能研究 高温合金的涡轮盘 是燃 气轮机的核心部什， 高温下高速旋转并 K时问使月J，【夫J此 ，对满轮船 的 能 要 求 很 高 、，特 别 是 高 温 持 久悱 能 ， 550 、670 MPa应力下持久寿命大于 100 h GH2674合 金 超 大 涡 轮 盘 按 要 求 进 行 980~C固溶热 处理，在立式车床 粗 打¨ ] ，分别取 轮缘和轮毂试样环 ，经 720 时效热 处 进 行 性能检验 丧 3 从表 3【{I呵以看 出，涡轮盘的 性能全部满足标准要求 ，并 较大的余 对1卡H 加 后的网级涡轮盘 (阎溶状 态 )作 r低倍惰蚀 (见图 4)，从图4可以看出涡轮盘表面没有裂纹 、 夹渣等缺陷，低倍晶粒组织均匀细小 ，没有晶粒组 织异常现象 另外利用 GH2674合金前挂盘的中 心孑L较大 的特 点，将 轮心 解剖做 纵 向低倍腐 蚀 ( 图5)，从图 5中叮以看到轮心的纵低 倍组织 细小均匀 ，非常理想 。探伤全部满 足 西3．0平 底 孑L要求 ，而且部 分 涡轮盘 的实际探 伤 水平达 到 西2．0 GH2674合金超大涡轮盘性能 和组 织以及 探伤等检验项 目全部满足技术要求 ，证 明了我 们 生产超大型高温合金涡轮盘新 T艺取得 r成功。 图 4 GH2674合金 四级 涡轮 盘低 倍腐 蚀 (西1 848) Fig 4 Ti’ans、tJrsr Ind(‘roseopie (’orrosion of the gl‘ade 4 GH2674 allo>(击l 848) 图 5 GH2674合金 涡轮 盘 盘 心纵 低倍 腐蚀 (170 mm×120 mm) }’ig．5 Longitudinal tll~lcroscopi( corrosion at the (·etltel of the mrhine disk GIt2674(170 mm ×120 mm) 5 结论 (1)采用电弧炉 +保护气氛电渣 重熔的冶炼 【 艺，在国内首次成功研制 出 GH2674合金 &900 电渣锭 ，满足 r制备超大涡轮盘的要求 ，大型高温 合金钢锭的研制成功为大型高温合金锻件的坯料 制箭提供 r保障 (2)采 用分 区锻造 工艺 在4 000 t快 锻机上 维普资讯 http://www.cqvip.com 54 宝 钢 技 术 2005年第 5期 生产出来超大型高温合金涡轮盘 ，组织 、性能及探 伤等全部满足罩=型燃气轮机的技术标准要求 (3)超大型高温合金 涡轮盘的研制成功 ．使 我国的大型高温合金钢锭冶炼和大型涡轮盘锻造 技术水平 前进 了一大步 ，为我 国的重型燃机 的发 展打下坚实的基础 一 表 3 GH2674合金超大型涡轮盘力学性能 Table 3 Me( hank al properties ot the extra—lal’ge turbines disk of GH2674 allo~ 参 考 文 献 I 朱 飙 燃气轮机的发腱前景 及技术应用 安徽电 力职 l大学 学报 ，2003，8(1)：I～5． 2 陆定原 燃 轮饥 发 电没 备的现状 阳前景．发 电设 备．1995． (Z1)：2～6． 3 陆锡才 高温合金电渣霞熔 锭表面缺陷的 分析 特 殊钢、2002． 23(4)：54～55 =!； ： ； ；l ；；； i：t !； ；l !t ： t ； ： ；i= lj：j i=lj ：ji ：ijl ： (上接 第 49页 ) 图 9 锻件 实物 Fig．9 A fartual f1)rging 5 结语 通过应用正确的计算模型以及对模拟结 果的 准确分析 ，对整体叶盘锻件 的锻造过程提 出以下 建议 ： (1)锻坯不应是饼状 ．而应该为中间薄 、外缘 厚的形状 ； (2)坯料外缘 的厚度应足够大 ，以确保模具 叶型部位能够被充满； (3)锻件轮辐外缘可 能会产生折叠 ，可以考 虑适当放大圆角。 4 陈希春，冯 涤，傅 杰等．电渣冶金的最新进展．钢铁研究学 报，2003，1 5(2)：62～67． 荀ffI秋，李 琦 ，赵 乌恩．高温材料在燃 气轮 机【}】的J、 用和 发 展 热能 动力工程，2004，19(5)：447～449 编 辑 任 燕 (收稿 只期 ：2005—03—23) 这些建议在设计和实际生产阶段都被采纳 ，并 得到了预想的结果，节省了大量的实物试制试验。 致谢 ：感谢西北工业大学材料科学与工程 学 院周叉刚教授 、俞汉青教授和舒滢博士在材料 高 温应 力／应 变曲线测 定方 面 的帮助 ： 参 考 文 献 I 壳免昌 航空锻件精化的重要途径——等温锻造技术．金属学 报，2002，38(增刊 )：356～359． 2 刘家富．整体 叶盘结 构及制造工艺．航空科学技术 ，1998，(6)： 21～23 3 广鸣．“等温锻造”走向产业化 』二海工业 ，2002，(3)：23． 4 姚若浩．会属 压力加 工中 的摩 擦与润 滑 北京 ：冶 金工业 出版 社 ．1990． 5 Thiebaut C．Evaluation of the friction factor of a molybdenum workpiece during upsetting tests at different temperatures．Journal of Materials processing Fechnology，1998，77：240 ～244． 编辑 马 凯利 (收稿 日期 ：2005—06—23) 维普资讯 http://www.cqvip.com