楊 嵩，史昊天，徐保平

(1.北華航天工業(yè)學院工業(yè)技術(shù)中心，河北 廊坊 065000；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學機械工程學院，天津 300222；3.國家管網(wǎng)壓縮機組維檢修中心，河北 廊坊 065000)

0 引言

燃氣輪機廣泛用于石油天然氣的輸油輸氣管道上，是石油天然氣輸油輸氣過程中的增壓動力裝置。在燃氣輪機維修檢查中發(fā)現(xiàn)，每臺高壓渦輪偏心環(huán)在正常運行上萬小時以上可能會發(fā)生徑向尺寸不同程度的縮小現(xiàn)象(簡稱微縮)，導致與之有著過盈配合關(guān)系的高壓渦輪外中內(nèi)三層蜂窩封嚴零件配合失效，影響到高壓渦輪正常工作性能。目前還沒發(fā)現(xiàn)徑向尺寸有微小膨脹的情況。

針對鎳基高溫合金出現(xiàn)微縮問題，李夢飛等[1]對Nimonic 80A鎳基高溫合金靜態(tài)再結(jié)晶行為進行研究，應(yīng)變溫度、應(yīng)變速率和預(yù)應(yīng)變有著顯著影響，且Nimonic 80A靜態(tài)軟化分數(shù)隨著變形溫度、應(yīng)變速率和預(yù)應(yīng)變的增大而增大，靜態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸隨著溫度的升高或應(yīng)變速率的減低而增大。陳杏芳等[2]分析了Nimonic 80A熱變形過程中隨變形溫度和變形量的變化組織的演變規(guī)律，從而對鍛造工藝進行優(yōu)化。柏宇[3]對Nimonic 80A合金性能的影響因素進行了研究解決實制過程的具體問題。張奇等[4]對GH4169進行了不同溫度的固溶+時效處理的金相組織分析，確定改善GH4169釬焊后性能的最優(yōu)工藝參數(shù)。魏先平等[5]研究了4種熱處理方式對GH4169合金組織和力學性能的影響，得到δ相數(shù)量和形態(tài)決定材料韌塑性和γ′、γ′′相析出量和尺寸與晶粒尺寸決定材料強度的結(jié)論。在Ni-Cr高溫合金中添加B可起到提高材料韌性的作用[6]。王信才[7]利用二次固溶熱處理對GH4169合金板材組織和室溫性能對比分析，發(fā)現(xiàn)重新固溶水冷態(tài)比空冷態(tài)晶粒細小，強度高；室溫拉伸強度與晶粒大小有關(guān)，當晶粒細小時強度較高，反之則強度降低。邰清安等[8]研究不同熱處理對GH2132合金組織和性能影響，時效溫度升高合金相γ′尺寸和數(shù)量增加就提高材料的抗拉輕度和屈服強度。韋康等[9]對一種新型鎳基高溫合金采用3種時效制度后研究其組織、性能及長期組織穩(wěn)定性。

上述學者的研究成果均從微觀的金相組織進行研究，揭示了熱處理方法對材料組織和性能的影響，而高壓渦輪偏心環(huán)工作溫度700 ℃～850 ℃正處于材料Nimonic 80A時效處理的溫度范圍，這為偏心環(huán)為什么會發(fā)生微縮找到源頭原因。在此基礎(chǔ)上本文主要研究高壓渦輪偏心環(huán)精度修復技術(shù)，主要是從整體宏觀視角出發(fā)，針對徑向微縮問題展開精度修復技術(shù)的工程實踐探索。精度修復技術(shù)可縮短維修周期，為企業(yè)節(jié)約維修成本，具有重要的經(jīng)濟價值和現(xiàn)實意義。

1 高壓渦輪偏心環(huán)安裝結(jié)構(gòu)與功能

如圖1所示高壓渦輪偏心環(huán)安裝位置結(jié)構(gòu)圖，高壓渦輪偏心環(huán)與高壓渦輪外空氣封嚴(簡稱外封嚴)、高壓渦輪中心空氣封嚴(簡稱中封嚴)和高壓渦輪內(nèi)空氣封嚴(簡稱內(nèi)封嚴)組成了蜂窩氣封四組件，外封嚴、中封嚴和內(nèi)封嚴分別與高壓渦輪盤篦齒組成封嚴配合來密封。高壓渦輪偏心環(huán)安裝在外封嚴和中封嚴之間，將外封嚴與中封嚴連接起來，其外徑與外封嚴內(nèi)徑配合，其內(nèi)徑與中封嚴外徑配合，所以說高壓渦輪偏心環(huán)配合尺寸精度影響到蜂窩封嚴的密封效果，其配合尺寸是否合格，直接決定著其它三個蜂窩封嚴件是否可用。高壓渦輪偏心環(huán)是燃氣輪機上高壓渦輪部位密封組件之一，主要功能是保證燃氣輪機由垂直裝配狀態(tài)變?yōu)樗秸９ぷ鳡顟B(tài)后，渦輪靜子部件與轉(zhuǎn)子部件同軸度。

圖1 高壓渦輪偏心環(huán)安裝位置結(jié)構(gòu)圖

2 力學性能分析和金相組織機理研究

高壓渦輪偏心環(huán)材質(zhì)為Nimonic 80A，屬于英國Nimonic高溫合金系列[10]，典型的Al、Ti元素強化鎳基高溫合金，密度8.19 g/cm3，熔點1320 ℃～1365 ℃，主要化學成分如表1所示。

表1 Nimonic 80A化學成分 (%)

Nimonic 80A高溫下具備優(yōu)良的強度、耐腐蝕性、抗蠕變性和抗氧化性[11]。主要析出相為γ′相(主要包括但不局限于為Ni3Al、Ni3Ti等)，基體為γ固溶體。高壓渦輪偏心環(huán)長期工作的溫度為800 ℃，正處于該高溫合金的時效熱處理區(qū)間內(nèi)，會造成γ′相的不斷析出和長大，γ′相的總體積所占的合金體積分數(shù)會隨服役時間的延長不斷出現(xiàn)先快后慢的非線性關(guān)系增加。γ′相與γ基體晶體類型均為面心立方結(jié)構(gòu)，單個晶胞內(nèi)含有的原子個數(shù)相同。晶格常數(shù)是指在合金元素種類及含量對晶胞小立方體的尺寸影響最小時，晶胞小立方體的邊長值。在無應(yīng)力作用時，γ′相的晶格常數(shù)約為a=0.355 08 nm，γ基體的晶格常數(shù)約為a=0.356 78 nm，γ基體的晶格常數(shù)大于γ′相的晶格常數(shù)，意味著含有相同數(shù)目的金屬原子時，γ′相的體積會小于γ基體，因此在高壓渦輪偏心環(huán)在長期工作后，由于γ′相的增加，會造成尺寸的微弱變小，軸向尺寸很小，徑向尺寸相對比較大，所以尺寸微縮在徑向比軸向凸顯。

Nimonic 80A的典型固溶溫度為1080 ℃，將熱處理溫度調(diào)整為1110 ℃～1130 ℃，在此溫度下保持10 min或以上時間，高壓渦輪偏心環(huán)長期服役中析出的大部分γ′相會再次溶解到γ基體中，固溶后使高壓渦輪偏心環(huán)的尺寸得到恢復。隨后的時效處理中熱處理溫度750 ℃，保溫4 h會析出一部分γ′相，但時間短，溫度低，不足以再次造成殼體尺寸的明顯縮小。固溶+時效后晶界上的碳化物M7C3繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ы缣蓟颩23C6，所以在晶界上沉淀出較為少量的連續(xù)M23C6。M23C6在晶界可起到阻礙晶界滑移、提高合金強度和降低晶界結(jié)合強度、引起沖擊吸收能量和塑性降低的雙重作用[12-13]，但僅有少量晶界析出個別M23C6型碳化物，因此，時效強度的提升還主要由晶內(nèi)γ′相決定，隨著晶內(nèi)γ′相長大成球形質(zhì)點，晶粒細化力學性能基本恢復。

3 固溶+時效的修復試驗

高壓渦輪偏心環(huán)固溶+時效熱處理加熱設(shè)備采用了型號為HZHH-1265的真空高溫釬焊爐，尺寸精度檢測設(shè)備：型號INSPECTOR1015.08，行程參數(shù)1000 mm×1500 mm×800 mm，MPEE：2.7+3.3L/1000的三坐標測量機。

經(jīng)查航空材料手冊，Nimonic 80A鎳基高溫合金英國牌號與國產(chǎn)鎳基高溫牌號GH80A相近。經(jīng)查GH80A熱處理工藝：固溶溫度為1080±10 ℃，保溫時間為10 min，時效溫度為750±5 ℃，保溫時間為4 h。經(jīng)查RR(羅羅)手冊Nimonic 80A熱處理工藝：固溶溫度為1120±10 ℃，保溫時間為10 min，時效溫度為750±5 ℃，保溫時間為4 h，兩者熱處理工藝基本相同。經(jīng)過750 ℃時效處理后，Nimonic 617的強度和塑性匹配良好，沖擊韌性高，故將750 ℃定為改進型Nimonic 617的時效處理溫度[14]。張立紅研究GH80A合金相析出規(guī)律，獲得GH80A最理想熱處理工藝為1080 ℃×8 h空冷(或水冷)+700 ℃×16 h空冷，或1080 ℃×8 h空冷(或水冷)+850 ℃×24 h空冷+700 ℃×16 h空冷[15]。

最終高壓渦輪偏心環(huán)實驗中采用的的熱處理工藝：固溶溫度為1100±10 ℃，保溫時間為10 min，時效溫度為750±5 ℃，保溫時間為4 h。

固溶+時效后主要是對高壓渦輪偏心環(huán)有配合要求的徑向尺寸進行精度檢測，如圖2高壓渦輪偏心環(huán)尺寸檢查位置示意圖所示，就是對內(nèi)徑E9(與外封嚴外徑配合)和外徑O4(與中封嚴內(nèi)徑配合)進行尺寸精度檢測。

圖2 高壓渦輪偏心環(huán)尺寸檢查位置示意圖

首先對庫房中高壓渦輪偏心環(huán)停用件和新購件進行尺寸精度測量比對，意在掌握新購件和停用件在修復處理前后的尺寸變化。實際實驗中把2件新購件和7件停用件做為研究對象，新構(gòu)件僅進行了尺寸精度檢測，停用件精度超差的則要經(jīng)過固溶+時效的修復處理，對修復前后每件尺寸精度進行檢測，具體的檢測數(shù)值如表2高壓渦輪偏心環(huán)修復精度數(shù)據(jù)表所示。

4 結(jié)果分析

從圖3高壓渦輪偏心環(huán)工作時長與微縮量關(guān)系圖可知，在被試的9件高壓渦輪偏心環(huán)中有5件在徑向尺寸上發(fā)生了微縮現(xiàn)象，這5件高壓渦輪偏心環(huán)的使用記錄顯示工作時長均超過2.5×104h，其余4件工作時長不足2.5×104h則沒有發(fā)生微縮現(xiàn)象。表明Nimonic 80A鎳基高溫合金材質(zhì)的高壓渦輪偏心環(huán)在工作時長達到2.5×104h可能會發(fā)生徑向尺寸微縮現(xiàn)象。由Nimonic 80A金相組織機理可知，合金基體初態(tài)由γ相構(gòu)成，服役過程不斷析出γ′相，γ′相的晶格常數(shù)略小于γ相，隨著高壓渦輪偏心環(huán)服役時間持續(xù)加長，γ′相不斷析出增加，服役時長超過2.5×104h以上，析出的γ′相達到一定的數(shù)量，足以引起高壓渦輪偏心環(huán)外形尺寸發(fā)生微變，通過三坐標能檢測到這種尺寸微變導致的尺寸精度超差。

從圖3高壓渦輪偏心環(huán)工作時長與微縮量關(guān)系圖可知，微縮量的大小與工作時間長短成非線性關(guān)系。由Nimonic 80A金相組織機理可知，高壓渦輪偏心環(huán)工作溫度800 ℃正值該高溫合金的時效溫度區(qū)間造成γ′相的析出和長大，γ′相總體積占合金總體積比例會隨服役時長不斷出現(xiàn)先快后慢的非線性關(guān)系增加，這就合理地解釋了微縮量的大小與服役時長成非線性關(guān)系。

從圖3高壓渦輪偏心環(huán)工作時長與微縮量關(guān)系圖可知，偏心環(huán)發(fā)生微縮現(xiàn)象后內(nèi)徑尺寸(E9)一般比外徑尺寸(O4)變形量大，但兩者發(fā)生微縮的方向和趨勢基本相同。由Nimonic 80A金相組織機理可知，隨著服役過程不斷析出γ′相，會造成高壓渦輪偏心環(huán)在長期工作后，外形尺寸會微量縮小。由于高壓渦輪偏心環(huán)屬于長徑比極小的盤類零件，徑向尺寸微縮肯定要比軸向尺寸微縮凸顯，內(nèi)徑微縮量要大于外徑，微縮方向和微縮趨勢基本相同。

表2 高壓渦輪偏心環(huán)修復精度數(shù)據(jù)表 (時間單位：h，尺寸單位：mm)

圖3 高壓渦輪偏心環(huán)工作時長與微縮量關(guān)系圖

從圖4高壓渦輪偏心環(huán)固溶+時效后修復值與超差值關(guān)系圖可知，偏心環(huán)在發(fā)生微縮現(xiàn)象后，采用固溶+時效的修復技術(shù)可使偏心環(huán)內(nèi)徑(E9)和外徑(O4)的修復值與超差值方向相反。由Nimonic 80A金相組織機理可知，在固溶熱處理過程中高壓渦輪偏心環(huán)長期服役析出的大部分γ′相會再次溶解到γ基體中，固溶后使高溫渦輪偏心環(huán)尺寸得到一定的恢復。具體的試驗數(shù)據(jù)表明：偏心環(huán)內(nèi)徑和外徑共10個超差數(shù)據(jù)修復后有9個進入標準范圍，僅有一個內(nèi)徑尺寸檢測超0.01 mm不合格，驗證了高壓渦輪偏心環(huán)固溶+時效修復技術(shù)解決徑向尺寸微縮問題的可行性和有效性。

圖4 高壓渦輪偏心環(huán)固溶+時效后修復值與超差值關(guān)系圖

需要特別說明，由于實驗成本高，周期長等實現(xiàn)原因造成試驗樣本數(shù)量偏小僅五件，在小樣本基礎(chǔ)上采集的試驗數(shù)據(jù)其普遍性和代表性可能存在一定的質(zhì)疑，所以僅獲得一些初步結(jié)論，也存在一定的局限性。對高壓渦輪偏心環(huán)尺寸微縮超差值和修復值之間的關(guān)系也沒能給出結(jié)果，今后會繼續(xù)積累相關(guān)數(shù)據(jù)做進一步的分析研究。

5 結(jié)論

Nimonic 80A鎳基高溫合金的高壓渦輪偏心環(huán)是燃氣輪機上高壓密封件之一，工作時長超過2.5×104h時易發(fā)生微縮現(xiàn)象，微縮量大小與工作時長呈非線性關(guān)系，內(nèi)徑微縮量比外徑大，內(nèi)外徑兩者微縮方向和趨勢基本相同?；謴透邏簻u輪偏心環(huán)尺寸精度采用的修復技術(shù)為：固溶溫度1100±10 ℃，保溫時間10 min，時效溫度750±5 ℃，保溫時間4 h的固溶+時效熱處理工藝。固溶+時效的修復技術(shù)可恢復尺寸精度解決了高壓渦輪偏心環(huán)的微縮問題，是一種有效可行的維修措施，在燃氣輪機的實際維修中得到實踐檢驗和工程應(yīng)用。