金属材料热处理:热能装置用材分析

热能装置主要指动力工程中所用的各种装置，如锅炉、汽轮机、燃气轮机等。这类装置中很多零件都在高温下工作，因此必须选用各种高温材料，如耐热钢及高温合金等。

1.锅炉-汽轮机的选材

锅炉-汽轮机组结构庞大、复杂，包括许多零部件。按工作温度可把零件分为两大类：一类的工作温度在350℃以下，这时蠕变现象在钢铁中微不足道，可不考虑高温性能，选材方法与一般的机械装置类似；另一类的工作温度在350℃以上，选材时主要考虑其高温性能，应根据具体零件的工作温度和应力大小等选择合适的耐热材料。在这类零件的选材过程中，首先应考虑工作温度，其次考虑应力大小。

以锅炉管为例，非受热面锅炉管（如水冷壁管、省煤器管）工作温度较低，受热面锅炉管（如蒸汽导热管或过热器管）的工作温度较高，某些高温高压锅炉的温度可达600℃左右。锅炉管的主要失效方式是爆裂，它是由蠕变断裂引起的。因此，锅炉管的材料应具有足够高的持久强度、蠕变断裂塑性及蠕变极限。一般锅炉管都按持久强度设计，根据工作温度、管内压力及尺寸算出工作时管壁所受应力。锅炉管通常的规定寿命为10年，因此，按材料的持久强度选材，条件是材料的持久强度应大于Kσ_w，K为安全系数，σ_w为工作应力。

表28-2中列出了几种主要耐热钢的持久强度值。对于一般的高、中压锅炉，材料的持久强度值在60～80MPa即可满足工作要求。由表28-2还可以看出，低碳钢管（20A）只能用于工作温度低于450℃的非受热面管，而12Cr1MoV的工作温度可以高于580℃。

如果蒸汽的工作温度超过580℃甚至600℃，则必须选用更高级的材料，例如表中的12Cr3MoVSiTiB或奥氏体耐热钢Cr17Ni13W，这当然会使材料价格大幅提高，锅炉管的消耗是很大的，所以成本很高。目前在设计大容量锅炉时多趋向于把蒸汽温度降到540℃左右，尽管工作温度高可以提高热效率，但从总的经济性考虑，采用廉价的耐热钢可能更合理些。

表28-2 几种耐热钢的持久强度值

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汽轮机叶片的选材分析与锅炉管类似。叶片承受的工作应力较大，所用的材料自然要比锅炉管的高级。汽轮机前级叶片的工作温度较高，所用材料的性能应更好，多用Cr11MoV或Cr11WMoV等钢。而后级叶片一般采用Cr13型马氏体不锈钢。

汽轮机叶片的最主要失效方式是疲劳断裂（振动疲劳断裂）。主要应从叶片的结构设计上避免共振来防止这种断裂，但选材也有很大的意义。如果叶片材料具有很高的减振能力，并且疲劳裂纹扩展速率很低，则可大幅度地提高叶片的寿命。

另外，所有在高温下工作的锅炉-汽轮机零件的材料，都应具有一定的耐蚀性，而叶片材料的耐蚀性还要更高些，因此多用不锈钢制造。

2.燃气轮机的选材

与汽轮机相比，燃气轮机的工作条件具有工作温度高、腐蚀严重和工作寿命短等特点。所以，从工作条件出发，燃气轮机在高温下工作的零件，应主要考虑高温持久强度和腐蚀抗力。其中材料问题比较突出的零件是涡轮叶片、转子和涡轮盘、燃烧室火焰筒和喷嘴。它们失效的主要方式是蠕变变形、蠕变断裂、蠕变疲劳或热疲劳断裂。

叶片材料的选择决定于工作温度。当工作温度低于650℃时，用奥氏体耐热钢；工作温度在700～750℃时，用铁基耐热合金；750℃以上直到950℃时，用镍基耐热合金。而在更高温度下工作的叶片材料，一种方案是采用复合材料，即用难熔碳化物（TaC、Nb₂C等）纤维（直径约1μm）作为增强剂，加在定向结晶的镍基合金中，可把工作温度提高到1050℃左右；另一种方案是采用陶瓷材料，特别是SiC或Si₃N₄陶瓷，其热导率比镍基合金还高，而热膨胀系数比镍基合金低，因此，抗热冲击能力很强，由于是共价键结合，直到1300℃时蠕变抗力仍然很高。它唯一的不足之处是韧性太低，只有镍基合金的1/25，因而限制了它的使用。

燃气轮机的转子及涡轮盘的工作温度比叶片低，因此一般采用铁基耐热合金。燃烧室火焰筒及喷嘴的工作温度虽然很高，但工作应力低，一般采用镍基合金板制作。