1、第二十八章高溫合金渦輪葉片的熱加工現代渦輪葉片大多采用鑄造高溫合金。然而，變形高溫合金渦輪葉片也還在廣泛應用。在我國 GH4049 和 GH4037 是兩個使用最廣泛的一、二級渦輪葉片合金。此外，GH4033、GH4133、GH4220、GH4093 和 GH4413 等也在不同類型的發上制作渦輪葉片，其中 GH4413 是作者等近年研制的大型先進燃氣輪機渦輪葉片材料1。渦輪葉片或稱渦輪工作葉片是和燃氣輪機最關鍵的零件之一，它的工作條件最荷刻，常常承受氣動負荷、振動負荷和離心負荷的綜合作用，同時還承受高溫、熱沖擊和燃氣的腐蝕作用。而且渦輪葉片形狀復雜，一般由葉身、伸根段和榫頭三部分組成。這就給

2、變形高溫合金渦輪葉片的熱加工提出了更高要求，也帶來了更大的。渦輪葉片的過程，首先是優質鋼錠的熔煉和澆鑄，然后是開坯、軋制，最后是由棒材進行頂鍛、預鍛和終鍛，獲得渦輪葉片毛坯。下面以 GH4413 合金為例介紹變形高溫合金渦輪葉片的熱加工。28.1大型燃氣輪機用 GH4413 合金渦輪葉片的熱加工28.1.1 鑄錠的開坯在第二十一章真空感應爐冶煉和第二十四章真空自耗重熔中，本書作者介紹了 GH4413 合金在ZG0.5 型 500kg 真空感應爐冶煉并澆注成兩支200mm 電極棒，然后在 L70097 型真空自耗爐上對 GH4413 電極棒進行自耗重熔，制成250mm1200mm鑄錠，重 380

3、kg，主要化學成分和微量雜質元素均合格。GH4413 合金錠表面磨光后，在 2000T 快鍛機上鍛造開坯。合金錠加熱工藝見圖 28-12，鍛造開坯工藝見表 28-12。為防止鍛造開坯過程中溫降過快，合金錠在加熱和鍛造時都加蓋保溫氈，且模具和鍛錘頭都預熱。采用上述工藝措施，最終經過四火鍛造出表面質量良好的、尺寸為170mm1800mm、重 280kg 的 GH4413 合金棒坯。圖 28-1 工業規模 GH4413 合金錠加熱工藝表 28-1 工業規模 GH4413 合金鍛造開坯工藝28.1.2 棒坯軋制軋制是將金屬坯料通過轉動軋輥間的縫隙，使坯料承受壓縮變形，而在長度方向產生延伸的過程。軋制的

4、目的與其它壓力加工方法一樣，得到所需形狀和改善組織并提高性能。GH4413 合金鍛坯經切頭和表面磨光后，切割成尺寸為160mm400mm 的棒坯，在250 型四輥軋機軋制成尺寸為59mm3000mm 的熱軋棒材，加熱工藝見圖 28-1，熱軋工藝見表 28-2。熱軋棒材最終機加工成尺寸為53mm605mm 的成品棒材，表面光潔度 R=3.2m，棒材外形見圖 28-22。表 28-2工業規模 GH4413 合金熱軋制工藝圖 28-2工業規模GH4413 合金熱軋棒材28.1.3 軋制棒材的檢驗依據中國金屬企業標準GH4413 鎳基高溫合金熱軋棒材技術條件（標準號：Q/KJ.J02.15-2003）

5、，對工業規模 GH4413 合金熱軋棒材進行了出廠檢驗與復驗。檢驗結果表明，研制的 GH4413 合金的成分、組織與性能都達到了技術條件要求。軋制火次開軋溫度終軋溫度變形量道次與孔型尺寸變化第一火1150102012.1%四道次(園菱方圓)160mm150mm第二火113012.9%150mm140mm第三火110038.3%140mm110mm第四火118032.6%三道次(圓菱方)110mm80mm 方第五火118057.3%五道次(方菱方橢圓圓)80mm 方59mm鍛造火次位置開鍛溫度終鍛溫度變形量形狀變化第一火錠頭111098018.5%250mm 圓200mm 方第二火錠尾18.5%

6、250mm 圓200mm 方第三火錠頭43.3%200mm 方170mm 圓第四火錠尾43.3%200mm 方170mm 圓1化學成分分析GH4413 合金化學成分的檢驗(撫鋼)和復驗(金屬所)結果見表 28-33，并與技術條件的要求進行了對比。由表 28-3 可見，金屬所復驗結果與撫鋼檢驗結果一致，說明工業規模 GH4413 合金的化學成分滿足技術條件要求。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 收得率較高，雜質元素和有害元素，特別是O、N氣體含量，控制在較低水平。表 28-3工業規模GH4413 合金化學成分的檢驗和復驗結果(w

7、t%)注 1：撫鋼在自耗錠頭、尾部分別取樣分析C、Al、Ti、Mg、Si 元素。注 2：B、Ce 按計算量加入，允許不進行化學成分分析2力學性能檢驗在熱軋棒材上切取試樣經過標準熱處理(121010，保溫 2h，空冷105010，保溫 4h，空冷85010，保溫 16h，空冷)，然后進行力學性能檢驗，結果見表 28-43。金屬所復驗結果與撫鋼檢驗結果一致，說明工業規模 GH4413 合金棒材的力學性能滿足技術條件要求。與技術指標相比，工業規模 GH4413 合金 850高溫抗拉強度高 30%左右，延伸率高 100-150%，持久高 50-100%。CCrWMoVAlTi金屬所0.0414.826

8、.053.270.502.482.00撫鋼0.050.04114.556.053.280.452.502.561.961.87技術條件0.04-0.1013.0-16.05.0-7.02.5-4.00.2-1.02.4-2.91.7-2.2NiBCeMnSiPS金屬所余0.0130.010.010.110.0010.003撫鋼余0.020.020.040.100.090.0040.001技術條件余0.020.020.50.60.0150.009FeCuAgAsbSb金屬所0.180.010.00010.00050.000050.00010.0001撫鋼0.210.070.00050.00150

9、.00010.0010.001技術條件5.00.070.00050.00150.00010.0010.001SnMgON金屬所0.000500040000400011撫鋼0.0012000350000500011技術條件0.0120.0050.010.01表 28-4 工業規模GH4413 合金的力學性能3低倍組織檢驗依據國標 GB/T14999-94 規定的檢驗方法，對工業規模 GH4413 合金熱軋棒材的縱向與橫向低倍組織、縱向斷口進行了檢驗，結果滿足產品標準要求，見表 28-53。表 28-5 工業規模 GH4413 合金熱軋棒材的低倍組織和斷口檢驗結果橫向低倍組織檢驗縱向低倍組織檢驗縱

10、向斷口檢驗金屬所依據國標 GB/T14999.3-94 規定的檢驗方法，工業規模 GH4413 合金熱軋棒材縱向斷口無分層現象。依據國標 GB/T14999.5-94 規定的檢驗方法，工業規模 GH4413 合金熱軋棒材縱向斷口疏松為 1 級。撫鋼工業規模 GH4413 合金熱軋棒材縱向斷口無分層現象。工業規模 GH4413 合金熱軋棒材縱向斷口疏松為 1 級。Q/KJ.J02.15-2003在經熱處理的縱向試片上檢驗斷口組織時，不允許存在分層；斷口疏松按GH4049 合金的標準，1-2 級合格。金屬所依據國標 GB/T14999.5-94 規定的檢驗方法，經酸浸的工業規模 GH4413 合金

11、熱軋棒材縱向試樣的低倍組織符合圖的圖 10。撫鋼合格。Q/KJ.J02.15-2003在經熱處理的酸浸縱向試樣上檢驗低倍組織時，應符合GB/T 14999 的規定，按 GH4049 合金的標準執行，其中圖 2、圖 9、圖 10 合格，圖 3、圖 4、圖 11 不合格。金屬所依據國標 GB/T14999.2-94 規定的檢驗方法，在經酸浸的工業規模 GH4413合金熱軋棒材橫向試樣上檢驗低倍組織時，無肉眼可見的縮孔痕跡、空洞、裂紋、針孔和夾雜等缺陷。撫鋼合格。Q/KJ.J02.15-2003在經酸浸的橫向試樣上檢驗低倍組織時，棒材不得有肉眼可見的縮孔痕跡、空洞、裂紋、針孔和夾雜等缺陷。850高溫

12、拉伸性能b，MPa0 2，MPa，金屬所75564521.026.077065520.023.0撫鋼75020.019.074016.019.0技術條件588812850/265MPa 持久性能室溫硬度(HBd)，h延伸率，%金屬所81.503.4306114.855.7撫鋼50.029850.0298技術條件502693414組織檢驗依據國標 GB/T14999-94 規定的檢驗方法，對工業規模 GH4413 合金熱軋棒材的縱向組織進行檢驗，未發現細晶帶狀組織，晶粒度為 3 級。5超聲波探傷依據國標 GB/T 4162，采晶縱波脈沖反射法對工業規模 GH4413 合金熱軋棒材逐根進行了超聲波

13、探傷檢驗，結果達到 AA 級，合格。6外形尺寸和表面光潔度對工業規模 GH4413 合金熱軋棒材逐根進行了外形尺寸與表面光潔度檢驗，合格。上述檢驗結果表明，工業規模 GH4413 合金化學成分、組織和性能都滿足技術條件和相應標準要求?？梢赃M行葉片鍛造試制。28.1.4 葉片鍛造變形程度試驗首先進行了 GH4413 合金臨界變形程度試驗和變形程度試驗。工藝試驗與理化檢測結果4表明：國產 GH4413 合金在鍛造 5變形程度時有晶粒粗大現象，變形程度大于 5則不發生明顯的粗晶現象，由此可以確定國產 GH4413 合金在加熱溫度為 1170時的臨界變形程度應為 5左右，鍛造時應盡量避免進行 5左右的

14、變形。國產 GH4413 合金經 30、40、50、60四種變形程度試驗后，試樣均未見明顯鍛造缺陷和其它冶金缺陷。可見國產 GH4413 合金熱塑性好，具有較寬的鍛造變形程度范圍，可以在加熱溫度為 1170時進行 60以下變形程度的鍛造。具體比較 30、40、50、60四種變形程度的試驗件實物，可以看出隨著變形程度的增大，葉片組織的均勻性越來越高。比較國產 GH4413 合金臨界變形程度試驗和變形程度試驗兩項工藝試驗的試驗件和國外同類葉片實物組織，可以看出國產 GH4413 合金的晶粒度明顯較細，有利于葉片鍛造后獲得較細的組織。2頂鍛、預鍛和終鍛高溫合金渦輪葉片模鍛往往分為頂鍛、預鍛和終鍛三步

15、。根據表 28-64所示的葉片鍛造工藝，對 GH4413 合金熱軋棒材進行葉片模鍛試驗。第一次頂鍛件見圖 28-3(b)，第二次頂鍛件見圖 28-3(c)，第一次預鍛件見圖 28-3(d)，第二次預鍛或初模鍛件見圖 28-3(e)，最后經一次終鍛完成模鍛，終鍛件見圖 28-3(f)。最大終鍛壓力為 44 氣壓（約為 37.5 噸米），其中一部分葉片終鍛加熱溫度實為 11750C，另一部分葉片終鍛加熱溫度實為 11620C。模鍛試驗表明，國產 GH4413 合金熱塑性好，鍛造性能良好，能夠滿足葉片鍛造工藝要求。由于能夠使用較大終鍛壓力，國產 GH4413 合金模鍛葉片實物質量較理想，幾何尺寸已達

16、到鍛件圖要求，對保證葉片力學性能達到要求十分有利，因此也有利于零件的加工。葉片表面質量狀況達到了葉片驗收技術協議要求。隨后，選取 3 號和 5 號葉片進行標準熱處理，檢驗組織與性能。熱處理制度為：12100C,+ 10500C, 4h, AC + 8000C, 16h, AC。2h,AC表 28-6大型燃氣輪機 GH4413 合金第 5 級渦輪葉片的鍛造工藝圖 28-3 GH4413 渦輪葉片的模鍛(a)，棒材料段；(b)，第一次頂鍛；(c)，第二次頂鍛； (d)，第一次預鍛；(e)，第二次預鍛；(f)，終鍛序號工序過程設備工藝要求1來料檢查2加熱高溫電爐1170100C 保溫 60-80 分

17、鐘3頂鍛（一端）臥鍛機停鍛溫度10600C，鍛后空冷4加熱高溫電爐1170100C 保溫 60-80 分鐘5頂鍛（另一端）臥鍛機停鍛溫度10600C，鍛后空冷6檢查缺陷將裂紋、龜裂、重皮等缺陷標出7打磨缺陷砂輪機將標出缺陷打磨凈，但要圓滑轉接8加熱高溫電爐1170100C 保溫 60-80 分鐘9預鍛40 噸米液氣錘停鍛溫度10600C，鍛后空冷10檢查缺陷將裂紋、龜裂、重皮等缺陷標出11打磨缺陷砂輪機將標出缺陷打磨凈，但要圓滑轉接12吹砂表面13涂玻璃工件預熱 60-800C，涂層要均勻14加熱高溫電爐1170100C 保溫 60-80 分鐘15初模鍛40 噸米液氣錘欠壓 7mm，停鍛溫度1

18、0600C，鍛后空冷16噴丸或吹砂表面17檢查缺陷將裂紋、龜裂、重皮等缺陷標出18打磨缺陷砂輪機將標出缺陷打磨凈，但要圓滑轉接19吹砂表面20涂玻璃工件預熱 60-800C，涂層要均勻21加熱高溫電爐1170100C 保溫 60-80 分鐘22終模鍛40 噸米液氣錘按鍛件圖的正尺寸公差模鍛23噴丸或吹砂表面24終檢檢查葉片外觀與尺寸28.1.5 葉片毛坯解剖分析依據圖 28-45所示取樣示意圖對 3 號模鍛葉片毛坯進行解剖。其中 L-L 面為縱剖面，檢查縱向低倍組織。A-A，B-B，C-C，D-DE-E 面為橫剖面，檢查橫向低倍組織。a，b，c，d 為性能試樣，檢查高溫拉伸和高溫持久性能。e-

19、z 共 21 個小塊試樣，檢查組織，進行晶粒度檢查。同樣，對 5 號模鍛葉片毛坯進行類似解剖并作類似圖 28-4 3 號模鍛葉片及取樣部位圖1縱向低倍組織圖 28-55給出了 3 號模鍛葉片毛坯的縱向低倍組織，可見葉片縱向組織晶粒細小、均勻，無肉眼可見的冶金缺陷或加工缺陷，流線分布流暢而完整。但發現在葉背處存在粗晶帶，粗晶帶尺寸為寬 9mm，長 80mm，最大晶粒尺寸 2mm。5 號模鍛葉片毛坯的縱向低倍組織與 3 號葉片類似，粗晶帶尺寸為寬 7mm，長 100mm，最大晶粒尺寸5mm。均符合技術要求。圖 28-5 3 號模鍛葉片縱向低倍組織（圖 28-4 的L-L 剖面）（a）部位與靠近的葉

20、身部位，（b）葉身部位，（c）靠近的葉身部位與部位2橫向低倍組織圖 28-65給出了 3 號模鍛葉片的五種不同部位的橫向低倍組織，可見葉片橫向組織晶粒細小、均勻，無肉眼可見的冶金缺陷或加工缺陷。5 號模鍛葉片毛坯的橫低倍組織與 3 號葉片類似。圖 28-6 3 號模鍛葉片不同部位橫向低倍組織(a)部位（圖 28-4 的A-A 剖面）,(b) 靠近的葉身部位（圖 28-4 的B-B 剖面）,的葉身部位（圖 28-4 的D-D 剖面）,(c)葉身部位（圖 28-4 的C-C 剖面）, (d) 靠近(e)部位（圖 28-4 的E-E 剖面）3晶粒度根據 GB/T 6394-2002 標準金屬平均晶粒

21、度測定方法，對 3 號模鍛葉片不同部位（包括7 個部位，葉身 9 個部位，7 個部位）進行晶粒度，見表28-75。由表可見，3 號模鍛葉片的葉身部位平均晶粒度為 2.3 級，部位平均晶粒度為 2.0 級，部位平均晶粒度為 1.4 級。5 號葉片葉身部位的平均晶粒度也是2.3 級，部位的平均晶粒度為 2.7 級，而部位的平均晶粒度為 2.2 級。結果表明，國產 GH4413 合金生產的模鍛葉片組織優于進口料模鍛葉片及粒度大于 1 級）。樣件（晶表 28-73 號模鍛葉片不同部位的晶粒度4力學性能對 2 件 GH4413 合金模鍛葉片毛坯切取試樣檢驗力學性能的結果表明，均符合技術條件要求，見表 2

22、8-85。特別是拉伸延伸率和面縮率明顯高于技術條件要求，表明 GH4413 合金模鍛葉片具有優異的塑性，十分有利于下一步的精密加工。葉片部位樣品晶粒度級別平均晶粒度級別葉 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葉 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葉 頂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 合金模鍛葉片的力學性能檢驗結果室 溫 硬 度850 高 溫 拉 伸 性 能850/265MPa 持 久 性 能對國產 GH4413 合金的 2 件模鍛葉片解剖分析表明，葉片組織均勻、致密，無肉眼可見的冶金缺陷或加工缺陷，流線分布流暢而完整。模鍛葉片晶粒細小，晶粒于進口合金模鍛葉片及樣件。模鍛葉片力學性能完全滿足技術條件要求。相

24、比較而言，5 號模鍛葉片加熱溫度低，模鍛壓力大，組織更為細小，綜合力學性能更為優異，所以，應采用 5 號模鍛葉片的鍛造工藝為大型燃氣輪機第 5、6 級渦輪葉片的制造工藝。28.2用 GH2135 合金渦輪葉片的熱加工上世紀 60 年代初，由于我國缺少物資鎳，中國的科研發展了一系列鐵發展了鐵基高溫基高溫合金，試圖代替相應鎳基高溫合金，如中國合金 GH2135 代替鎳基合金 GH4033，鋼鐵研究總院和金屬鋼研所分別發展了 GH2130發展了 GH1140 代替 GH30396。本書作者 1962和 GH2302 代替 GH4037，航空材料年大學畢業，參加了 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以及另外一種發的渦輪葉片。稍后，也是上世紀以代替 GH4033 合金7。本節將60 年初，開始用 GH2135 合金制作噴氣發簡要介紹 GH2135 合金制作渦輪葉片的簡況。渦28.2.1 GH2135 合金渦輪葉片的熱加工持久，小時持久塑性，%GH4413-Y373.754.96GH4413-Y5121.428.40標準要求50b，MPas，MPa，GH4413-Y362852628.029.7GH4413-Y563455929.230.0標準要求5856.09.0GH4413-Y3HB313HB313HB313平

26、均：HB313GH4413-Y5HB285HB285HB288平均 HB286標準要求HB 269-341采用特鋼廠生產的 GH2135 合金26mm 棒材制作渦輪葉片。鍛造工序與 GH4413 基本相同。也是采用頂鍛、預鍛和終鍛工序。所不同的只是葉片尺寸較小，重量較輕。而且只有一次頂鍛和一次預鍛8。GH2135 合金葉片模鍛用的是臥鍛機頂鍛與機械壓力機預鍛和終鍛工藝路線。加熱溫度為 10801100，終鍛溫度大于 950。模鍛件經過熱處理后，可以得到均勻細小晶粒，很少出現個別大晶粒及不均勻現象。從這點來看，比 GH4033 合金好。但在頂鍛和預鍛的變形過渡區和變形量較小的部位，在固溶處理后卻

27、出現個別大晶粒。不過經過終鍛后的模鍛件從來沒有發現過大晶粒和不均勻現象。這說明只要終鍛變形量達到一定程度時，原始晶粒是沒有影響的，從這點出發，對原始棒材晶粒度的要求似乎可以放寬些9。詳細工藝不再贅述。28.2.2 GH2135 合金渦輪葉片試車簡況GH2135 合金代替 GH4033 鎳基合金作渦輪葉片材料，主要用于 BK-1A 和 BK-1發，從 1965 年開始至 1971 年止，在三種類型發上共進行了七次掛片和臺架試車，詳見表 28-99。在整個試車過程中，除在發修理廠進行的四次掛片試車沒有發生事故外，在發制造廠的三次試車都發生過葉片折斷事故，有的發生在 10 幾小時、有的則在幾百小時之后損壞。雖然有幾次掛片試車都得到了滿意的結果，的長達 882 小時，超過了當時對437渦輪葉片規定的 640 小時的使用，也超過了當時修理廠對這種葉片規定的 750 小時。但由于葉片數量不多，且因三次葉片折斷事故的發生，因此，至今對 GH2135 合金能否作為 700左右使用的渦輪