高溫工況下離心壓縮機葉輪選材

劉小明

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，沈陽 110869）

隨著我國能源產業的結構優化，各類儲能系統蓬勃發展。壓縮空氣儲能作為一項新興產業，受到了多方面的發展與關注。

壓縮空氣儲能基本可分為補燃式壓縮空氣儲能和絕熱式壓縮空氣儲能兩個發展方向。絕熱式壓縮空氣儲能回收儲存氣體壓縮過程中的壓縮熱，在膨脹發電階段為氣體補熱，整體熱效率較高。此外，整個運行過程無須外來熱源，外部消耗較低。

離心式壓縮機通過旋轉葉輪對通流氣體做功，提高氣體壓力。壓縮過程中效率損失會不可避免地提升氣體溫度。常規壓縮過程為了保證整機在接近等溫壓縮模式下運行，一般采用逐級冷卻氣體使氣體降溫后進入下一級壓縮葉輪的模式運行。由于絕熱式空氣儲能系統的特殊要求，空氣壓縮機組的設計與常規空氣壓縮機組存在極大的不同，不再追求等溫壓縮的高壓縮效率，而是采用逐級升溫壓縮模式。因此，壓縮機的葉輪工作在一個強烈的升溫工況下，串聯運行葉輪工作溫度逐次上升，最高運行溫度可接近400 ℃。因此，作為旋轉部件核心的葉輪，如何選材保證其可靠性成為一個新的難題。

高溫蠕變是指材料在恒定的溫度、應力作用下，隨著時間的延長發生緩慢塑性-變形的現象。蠕變是影響金屬材料高溫工況下使用壽命的重要因素之一。蠕變可在單一應力（拉力、壓力或扭力）或在復合應力下發生。通常的蠕變試驗是在單向拉伸條件下進行的，抗力判據（指標）為蠕變極限，即在一定溫度下使試樣在蠕變第二階段產生規定蠕變速率的應力，或在一定溫度下和規定時間間隔內使試樣產生規定伸長率的應力。材料蠕變過程主要分為減速階段、速率穩定階段和加速階段3個階段。第Ⅰ階段蠕變速率逐漸下降，材料在此階段發生硬化，屬于不穩定蠕變階段，或稱過渡蠕變階段。第Ⅱ階段為穩態蠕變階段，此時蠕變速率開始下降，達到最小值。第Ⅲ階段的蠕變速率迅速上升，直至材料破壞，為材料最終斷裂階段。蠕變斷裂通用曲線。

蠕變曲線與具體的金屬材料、溫度以及應力有關。不同金屬在不同條件下得到的蠕變曲線是不同的。同一種金屬材料蠕變曲線的形狀隨應力和溫度的不同而不同。當試驗溫度和應力較低時，第Ⅱ階段的持續時間較長。當提高溫度和應力后，第Ⅱ階段將會縮短甚至消失，試樣也會在短時間內斷裂。

蠕變變形主要與溫度、應力有關。當溫度一定時，應力的大小決定蠕變的物理機理不同。在低應力作用下，材料蠕變變形主要由金屬原子擴散引起，此時位錯運動停止或進行緩慢；在加載高應力時，位錯將成為蠕變的主要影響因素，此時位錯蠕變與應力之間成非線性關系。工程結構中的蠕變變形主要是由位錯引起的，符合位錯蠕變機理。

高溫蠕變與室溫蠕變最大的差異在于環境溫度不同。溫度的升高和變化對蠕變結果會產生重要影響。溫度對材料蠕變性能的影響取決于材料強度溫度規律。蠕變速度相對變化率與溫度的微小變化量成正比，而與溫度水平無關。高溫蠕變測量過程中，加熱溫度雖然恒定，但是加熱裝置內部溫度場存在波動。當試樣與引伸計之間的波動不同步或二者線膨脹系數不同時，會發生相對位移，而產生的位移量會計入蠕變變形。因此，試驗中應設置溫控裝置，以減小溫度波動。

根據常規離心式壓縮機的葉輪材料庫和公司在其他壓縮機項目中的實際使用經驗，擬對絕熱式壓縮空氣儲能項目的葉輪目標材料選用FV520B沉淀硬化不銹鋼、ASTM A286鐵基奧氏體不銹鋼以及GH4169高溫鎳基合金。

FV520B沉淀硬化不銹鋼最早由英國Firth-Vickers材料研究室開發。該鋼通過添加合金元素增加時效過程中的強化相析出來提高強度。FV520B具有良好的淬火性和耐腐蝕性能。由于具有優秀的沖擊性能和大截面上理想的橫向性能，它一直被廣泛應用于壓縮機輪盤、葉片以及轉子等部件。ASTM A286是Fe-25Ni-15Cr基高溫合金，加入鉬、鈦、鋁、釩及微量元素綜合強化，在650 ℃以下具有高的屈服強度和持久蠕變強度，且擁有較好的加工塑性，是一種沉淀強化合金。GH4169合金為Ni-Cr-Fe基變形高溫合金，為Inconel718合金的國內牌號，具有極好的高溫穩定性、耐腐蝕性能和耐沖刷性能，同時機械強度指標高，效率損失會不可避免地缺點是機加性能較差，加工制造周期長，成本高，材質單價較高[1-2]。

1 目標材料熱處理工藝

測試對比中，高溫糯變試驗采用公司研究院自有的RWS50電子蠕變試驗機，利用3根熱電偶加熱，分別連接上端夾具、試樣和下端夾具。FV520B沉淀硬化不銹鋼溫度設定為300 ℃、400 ℃，ASTM A286鐵基奧氏體不銹鋼設定為300 ℃、500 ℃，在溫度達到試驗溫度后保溫1 h，試驗溫度場穩定后開始施加載荷。載荷設定為試樣材質實際工況下的屈服強度，具體數值將經過高溫拉伸試驗測得[3-5]。GH4169高溫鎳基合金已有廣泛的商業化高溫場合應用案例，并有相應溫度下的強度數據，因此不再進行單獨試驗驗證。試驗機見圖1。

項目中目標材料的熱處理工藝如表1所示，目標材料機械強度如表2所示。

2 高溫糯變性能試驗

高溫蠕變試驗中，FV520B在溫度300～400 ℃下的所有試樣都未發生斷裂。如圖2和圖3所示，試驗溫度為300 ℃時，FV520B試驗應力為實際工況下的屈服強度，為927 MPa。在恒定的溫度與應力作用下，試驗進行了300 h，應變約為0.016 MPa，且試驗停止時試樣依然處于蠕變第二階段即恒速穩態階段。400 ℃時，蠕變時間為60 h時，對應應變量約為0.019 MPa。可見，在實際工況和屈服強度下，FV520B在300 ℃和400 ℃下能夠維持很好的蠕變壽命和較小的形變量。采用屈服強度作為蠕變極限進行測定的實驗結果顯示，FV520B鋼滿足項目設計需求。

圖1 RWS50電子蠕變試驗機

表1 目標材料熱處理工藝

表2 目標材料機械性能

如圖4所示，300 ℃時，A286試樣載荷屈服強度為552 MPa，測試蠕變127 h時，對應應變為0.005 MPa；如圖5所示，500 ℃時，A286試樣載荷應力為570 MPa，蠕變時間為124 h，對應應變為0.007 MPa。A286具有良好的高溫蠕變壽命，試樣應變非常小，在極短的時間內達到蠕變穩態階段，試驗終止時未進入蠕變斷裂階段。A286高溫蠕變過程能夠長時間處于穩態階段，表明試樣在300～500 ℃的環境下，滑移為裂紋擴展的主要控制因素。隨著形變的增加，蠕變速率下降，內部硬化加強，位錯運動受到阻礙，提升了A286的抗高溫蠕變能力。測試結果表明，在實際工況和屈服強度下，A286合金具有良好的高溫穩定性。采用屈服強度作為蠕變極限進行測定的實驗結果顯示，A286合金滿足項目設計需求。

圖2 FV520B在屈服強度927 MPa、300 ℃下的蠕變曲線

圖3 FV520B在屈服強度919 MPa、400 ℃下的蠕變曲線

作為成熟的壓縮機葉輪材料，FV520B切削加工與焊接成型均擁有成熟的工藝路線保障，使用成本較低。ASTM A286材料由于焊接后焊縫區域強度削弱明顯，僅適用于制造非焊接形式的葉輪。GH4169的高溫性能參數非常優秀，但機械加工性能差，加工成本高，材料單價也遠高于其他兩款，可作為備選材料。

圖4 ASTM A286在屈服強度552 MPa、300 ℃下的蠕變曲線

圖5 ASTM A286在屈服強度570 MPa、500 ℃下的蠕變曲線

3 結語

綜上所述，在200～500 ℃的運行工況中，以上3種材料均可以較好地滿足項目的使用需求。壓縮機設計人員可根據所用葉輪的工作條件和性能需求，綜合考慮成本與性能之間的平衡，選擇合適的材料。