重型燃气轮机压气机关键部件用材分析.docx

压气机是燃气轮机的核心部件之一，而气缸、叶片、叶轮又是压气机的关键部件。压气机进气部分的工作温度通常在零下，而排气部分的工作温度则往往超过400℃，有的已经超过600℃。因此，压气机进气部分的部件需要采用低温韧性优异的材料，而排气侧部件需要采用高温蠕变性能优异的材料。由于压气机属于冷端部件，使用的材料等级相对较低，国内外的相关研究尤其是较为系统的研究较少。本文详细介绍了重型燃气轮机压气机关键部件用材的化学成分、力学性能、制造工艺等，并对不同材料进行对比分析，总结了压气机关键部件用材的特点，为国内重型燃气轮机压气机关键部件选材提供了支持。

压气机缸体材料

国内外重型燃气轮机压气机缸体材料如表1所示。可以看出重型燃气轮机压气机缸体材料主要分为球墨铸铁和合金钢铸钢两类。

表1重型燃气轮机压气机缸体用材情况

01

球墨铸铁

通过对不同使用温度的球墨铸铁材料进行深入研究，将其按使用温度分为4类：

①常规铁素体型（使用温度≤350℃）；

②改良铁素体型（使用温度≤400℃）；

③新型铁素体型（使用温度≤450℃）；

④超级铁素体型（使用温度＞500℃）。

表1中所列的球墨铸铁均属于常规铁素体型，主要用于压气机进气侧缸体。如前所示，压气机的进气温度较低，往往低于0℃，因此对于进气侧缸体材料必须要有较好的低温韧性。

杂质元素含量对球墨铸铁力学性能的影响如表2所示。

表2不同杂质元素含量对力学性能的影响

从表2可以看出，杂质元素含量对球墨铸铁性能的影响如下：1）对强度和塑性影响很小；2）对冲击性能影响显著，含量越少，冲击性能越高；3）杂质元素含量如果超过0.1%，即使进行二次热处理，球墨铸铁的冲击功也无法满足标准要求。因此，对于厚壁高韧性球墨铸铁，特别是要求低温（-20℃以下）冲击性能的铁素体球墨铸铁，必须使用高纯度原材料，否则冲击性能无法满足标准要求。

常规型球墨铸铁已经广泛用于制造汽轮机低压内缸。国内已经采用新型铁素体型耐热铸铁代替CrMo铸钢用于超超临界汽轮机中压外缸。同样，可以采用新型铁素体型耐热铸铁代替CrMo铸钢用于重型燃气轮机压气机排气侧缸体。

02

合金钢铸钢

压气机缸体用合金钢铸钢的蠕变持久强度如图1所示。

图1合金钢铸钢在不同温度下的蠕变持久强度与碳钢（GP240GP）和9Cr钢（GX12CrMoVNbN9-1）铸钢的比较

从图1可以看出，合金钢铸钢具有优异的蠕变持久强度，其中G17CrMo5-5在400~500℃，蠕变持久强度高于G17CrMo9-10，可以用到500℃，G17CrMo9-10可以用到510℃，而G17CrMoV5-10可以用到550℃。如果排气缸的工作温度达到600℃，就要采用9Cr铸钢。

另外一个值得注意的问题是，对于同一种材料，如G17CrMo9-10和G17CrMoV5-10，不同的标准对其强度要求是不一样的，如图2所示，可以看出同一材料在不同标准中的强度要求差异是比较大的。这主要是由于铸件截面尺寸和热处理工艺不同造成的。

图2同一材料不同标准的强度要求

压气机叶片

常用压气机叶片材料及其性能如表3和表4所示。表3常用压气机叶片材料

表4常用压气机叶片材料的力学性能

从表4可以看出：1）压气机进气侧的动叶片材料的塑韧性要求非常高，比如1，2级动叶用材料的冲击功要求超过100J，FATT50要求低于-50℃，同时还要求很高的强度；2）整体而言，对于压气机动导叶片材料的塑韧性要求都非常高。因此，对于1，2级动叶，必须采用沉淀强化型马氏体钢X5CrNiCuNb16-4。该类钢种含碳量极低，含有较多的Cr和Ni，同时含有较多的Cu，保证材料在淬火后形成低碳马氏体基体，时效时在马氏体基体上形成细小弥散分布的强化相——富铜相，使材料获得极高的强度。

X22CrMoWV12-1是压气机排气侧叶片材料，具有优异的蠕变持久性能，使用温度可达560℃，广泛用于燃气轮机和汽轮机高温叶片、紧固件、阀芯等部件。

压气机轮盘

常用压气机轮盘材料的主要化学成分和杂质元素含量如表5和表6所示。

表5常用压气机轮盘材料主要化学成分含量（wt%）

表6常用压气机轮盘材料杂质元素含量（wt%）

从表5和表6可以看出，目前重型燃气轮机轮盘普遍采用CrMoV类合金钢制造，其化学成分具有以下特点：

1）杂质元素控制严格，对于P，S，As，Sn，Sb等均有严格的上限控制；

2）29Cr2Ni4MoV和26Cr2Ni4MoV的J参数≤10，达到超纯要求，使其使用温度可以达到400℃以上；

3）以高Ni（超过3%）合金钢居多。

这是因为：

1）采用高纯原料炼钢，同时采用真空钢包精炼或电渣重熔（ESR）工艺精炼，保证钢水纯净；

2）采用超纯净钢使Ni4钢用于400℃以上，可以充分满足压