高参数汽轮机转子用HAYNES 282焊接性分析及应用

时间：2024-08-31

杨林熊建坤聂甫恒余勇徐健吴海峰曹天兰钟玉

（东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川德阳， 618000）

1 引言

在我国供电系统中，燃煤发电所占比重为70%左右[1]，为主要能源利用方式，并且该局面在今后很长一段时间仍将长期存在。减少CO2排放量、提高发电效率，发展绿色能源成为世界共同关注的问题。研究表明一座总功率为1 000 MW的燃煤电站，约耗标准煤230 万吨/年。如热效率绝对值提高1%（主蒸汽温度和再热蒸汽温度每提高10 ℃，热效率可相对提高0.25%～0.30%），可节约标准煤6 万吨/年。因此，开发高参数汽轮机组已成为降低火电机组平均发电煤耗，提升经济性能和改善环境状况的有效途径。

欧美及日本等国家先后提出高参数汽轮机组发展计划，如欧洲1998 年提出“AD700” 研究计划、美国能源部（DOE）1999 年启动的“Vision 21”计划及日本2008 年提出的“新阳光计划” 等，无一例外的将蒸汽参数提高到700 ℃，发电效率提高到55%， CO2的排放量降低15%[2]。 700 ℃超超临界机组温度、压力参数的提高对高温材料提出更苛刻的要求，镍基合金成为必然选择。

与固溶强化高温合金相比，沉淀型高温合金能够最大限度的提高材料在强度方面的使用极限，通过时效热处理获得的时效硬化、 γ'强化方式提高蠕变强度，进而提高了材料的适用温度。HAYNES 282 合金（Ni-19Cr-10Co-8.5Mo-1.5Al-2.1Ti），是一种具有良好可焊性和可加工性的新型高蠕变强度的锻造合金。尽管含有较高的γ'强化相，且使用温度可高达900 ℃， HAYNES 282 合金具有优异的成型性和可锻性，与其他γ'强化的高温合金的焊接性相比，具有较低的应变时效裂纹敏感性。这些优异的性能使其成功应用于飞机和燃气轮机的热端部件，且具备应用到700 ℃级别高参数超超临界汽轮机（转子等）的可能。本文结合目前国内外的研究进展，对HAYNES 282 合金的基本性能和焊接性进行分析，结合公司所确定的高参数机组选材设计，制定了完整有效的转子焊接及热处理工艺。

2 HAYNES 282 组织与性能

HAYNES 282 合金的典型化学成分见表1。其标准热处理制度为：固溶处理后经两次时效处理，分别为（1 121～1 149）℃/2 h/OC+1 010 ℃/2 h/AC+788 ℃/8 h/AC。

表1 HAYNES 282 合金典型化学成分wt%

为了平衡强度和加工性能， Haynes 282 合金的γ′相含量经过优化，严格控制Al 和Ti，合金中还含有8.5%的Mo，明显增大基体固溶体的晶格常数，起固溶强化作用，提高蠕变性能，合金中M23C6 型碳化物钉扎晶界提高其力学性能[3]。

图1 所示为一次时效处理后的组织为γ 基体及分布的块状MC 型碳化物和退火孪晶等，在二次时效快冷处理后，基体晶内和晶界均分布较小的γ′相，且晶界附近析出M23C6 型碳化物。HAYNES 282 所具有的固溶强化机制和时效强化机制造就了更优异的综合力学性能[4]，如图2～3 所示，其与HAYNES 230 和617 等固溶型高温合金相比， HAYNES 282 的常温、高温性能以及高温蠕变性能均更佳，其中HAYNES 282 的100 MPa下10 万小时持久温度接近780 ℃。

图1 HAYNES 282 典型组织

图2 不同合金抗拉强度与温度的变化规律

图3 不同温度10 万小时蠕变强度变化规律

3 HAYNES 282 焊接性

由于HAYNES 282 合金最初是针对燃气轮机的燃烧器而开发的，因此具有良好的可焊性是关键。正如文献所提[5]，这类γ'强化型高温合金在焊接过程中易出现3 种不同形式的焊接裂纹：应变时效裂纹、焊缝凝固裂纹和热影响区液化裂纹。

3.1 应变时效裂纹敏感性

应变时效裂纹通常归因于基材本身的残余应力，其由铸造过程中的凝固收缩和时效热处理过程的γ'相形成。一般情况下，在焊后热处理（例如固溶退火）期间裂纹会在加热期间发生，但这种现象不能及时检测到位，不过很多试验表明，这种具有较大γ'沉淀动力学的合金对应变时效裂纹更加敏感，故而需要在HAYNES 282 合金设计阶段就避免这些问题[6]。

对应变时效裂纹的早期研究主要集中在通过控制加热速率试验（CHRT）进行对比[7]。为了更好地使用CHRT 方法， Metzler 选择了单一温度、加热速率和延伸率，以表明基于Gleeble 的CHRT 方法可靠地区分不同合金中应变时效裂纹敏感性的微小差异[8]。这种具有应变时效裂纹敏感（γ′/γ″）的合金在测试后的断口中始终表现出晶间断裂的迹象。 HAYNES 282 与其他几种合金相比，实际上已经具备了较低的应变时效裂纹敏感性。为最大限度地降低焊接接头的应变时效裂纹敏感性，最好在前端制造过程中选择降低基材残余应力的工艺方法和参数。

图4 不同合金CHRT 塑性特征

3.2 焊缝凝固裂纹敏感性

在现有研究中利用可变拘束试验评估了具有两种硼含量的HAYNES 282 合金[5]。图5 所示的结果表明， HAYNES 282 合金表现出优异的抗凝固开裂性，尤其是较低硼含量（0.003%）具有更低的凝固裂纹敏感性。 HAYNES 282 的制造标准质量控制中确定了硼含量低于0.005%。与其他合金相比，在两种不同应变水平下的裂纹长度结果中，表明HAYNES 282 合金在焊接约束条件下，抗凝固开裂性比大多数合金优异，跟617 合金相当。

图5 不同合金的可变约束试验下的裂纹总长

3.3 热影响区液化裂缝敏感性

除上述研究外， Andersson 通过热延性试验评估HAYNES 282 合金的HAZ 液化裂纹倾向[9]。使用Gleeble 实验确定 “脆性温度范围” （BTR），将其定义为加热液化引起的零强度温度（NST）和延性恢复温度区间，用于评价焊接过程中热影响区的热裂纹敏感性。 Caron 通过Gleeble 实验获得了HAYNES 282 合金的BTR 范围不超过90 ℃，与Andersson 等的研究结果基本一致，同时对比了其他文献提供的Waspaloy（209 ℃）和718（103 ℃）数据，说明HAYNES 282 合金理论上比这些合金具有更好的抗HAZ 液化裂纹性。

4 HAYNES 282 的焊接工艺应用

目前关于HAYNES 282 厚壁件的焊接，尤其是与耐热钢的厚壁件焊接研究极少，但在部分会议上[10]提到过将HAYNES 282 合金与Udimet 720Li合金作为汽轮机焊接转子的选材，所进行的焊接和无损结果表明接头并没有发现相应的裂纹等缺陷，但具体工艺及性能评估未见报道。

公司高参数机组焊接转子拟采用HAYNES 282+12Cr 转子焊接方案，结合HAYNES 282 的焊接性特点，这种时效型高温合金主要以富含Al、Ti 的γ′和特定碳化物等作为强化相，焊接接头具有较高的结晶裂纹和应变时效裂纹敏感性，尤其是热影响区易形成γ-γ′低熔点共晶物，在焊接热应力下形成微裂纹[11]，且焊后热影响区组织需要时效处理以到达最佳的材料状态，但其时效温度又与耐热钢焊后去应力温度不一致，故而难以一次性获得性能完整且无缺欠的焊接接头。

为获取良好的焊接接头，需在固溶状态焊接后进行时效处理（同时兼顾去应力作用），诸如上述提到的基材残余应力过大会提高应变时效裂纹敏感性，固溶态焊接能够降低基材起焊状态的残余应力，能有效抑制这种应变时效裂纹；同时降低γ′含量，相当于减少了组分液化倾向，实则能够进一步缩小脆性温度范围，同时在加热和冷却过程中可能存在的γ-γ′低熔点共晶物载体也减少了，所以热影响区的液化裂纹倾向也大大降低。

HAYNES 282 时效热处理温度远高于12Cr 材料，且考虑到两侧母材膨胀系数差异较大、微合金元素的迁移和扩散特点[12]，故需在镍基侧堆焊适当的过渡层，时效处理后再与耐热钢进行对接焊及去应力热处理，其中过渡层材料在热处理（时效+去应力）和对接焊过程中性能和焊接性等不受影响，结合该温度段的综合性能要求，一种优选的固溶型焊材成为必备选择，且焊后无损检测未发现任何缺陷。

表2 异种焊接室温及高温力学性能

如表2 所示，所有试样的断裂位置均在12Cr母材，其强度均满足12Cr 母材性能要求。且异种接头短时持久试验按照12Cr 母材要求（600 ℃/264 MPa）进行，接头持久时间超过500 h（未断）。综上所述，焊材选择、焊接及热处理工艺具有很高的可行性。