汽轮机叶片选材及热处理基础工艺.docx
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汽轮机叶片选材及热处理基础工艺
三、工况分析2
四、失效分析及性能规定3
(一)汽轮机叶片失效分析3
(一)铬不锈钢4
(二)强化型铬不锈钢4
(三)低合金珠光体耐热钢5
(四)铝合金和钛合金6
(五)优化6
六、拟定尺寸和热解决工艺6
七、工艺流程及工艺卡片10
(二)金相检查11
结论11
一、引言
汽轮机是将蒸汽能量转换成为机械功旋转式动力机械,又称蒸汽透平。
重要用作发电用原动机,也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。
还可以运用汽轮机排汽或中间抽汽满足生产和生活上供热需要。
汽轮机重要应用于电力工业、船舶工业、水泥、化工、石油、冶金、重型机械等领域。
汽轮机是一种旋转式流体动力机械,它直接起着将蒸汽或燃气热能转变为机械能作用。
而叶片是汽轮机“心脏”,是汽轮机中极为重要零件。
叶片普通都处在高温,高压和腐蚀介质下工作。
动叶片还以很高速度转动。
在大型汽轮机中,叶片顶端线速度已超过600m/s因而叶片还要承受很大离心应力。
叶片不但数量多,并且形状复杂,加工规定严格。
叶片加工工作量很大,约占汽轮机、燃气轮机总加工量四分之一到三分之一。
叶片加工质量直接影响到机组运营效率和可靠行,而叶片质量和寿命与叶片加工方式有着密切关系。
因此,叶片加工方式对汽轮机工作质量及生产经济性有很大影响。
这就是国内外汽轮机行业为什么注重研究叶片加工因素。
随着科学技术发展,叶片加工手段也是日新月异,先进加工技术正在广泛采用。
要满足不断提高使用性能需求仅仅依托新型叶片材料应用依然很难满足,必要将各种热解决技术应用到汽轮机叶片制造当中才干达到对叶片具高效率、高精度和高寿命规定。
二、设计任务
先通过对汽轮机学习,理解其工作条件及内外部构造,继而对汽轮机叶片所处周边环境有所理解,从而懂得其工作条件。
再对汽轮机叶片工作环境和工作条件(涉及蒸汽或燃气与叶片互相作用、工作温度、旋转速度、叶片受力状况等)进行分析,通过度析和研究得出数据和现象,以拟定汽轮机叶片重要失效形式,并通过对数据和成果分析得出汽轮机叶片失效因素。
再由失效形式和失效因素拟定出汽轮机叶片正常工作时应满足性能规定。
再依照汽轮机叶片材料性能规定,通过查阅资料和实验研究初步选定出三种以上符合规定材料,再结合材料性能、工艺性和经济性及汽轮机叶片材料性能规定对所选材料进行综合分析,最后拟定出最佳材料。
拟定出最佳材料后再依照最佳材料拟定汽轮机叶片尺寸和热解决工艺,依照热解决工艺及汽轮机叶片尺寸画出工艺流程图并制作出工艺卡片,以及为了保证汽轮机叶片质量拟定出组织检查办法。
三、工况分析
一方面叶片是汽轮机中将汽流动能转换为有用功重要部件,其工作环境极其恶劣,且每一级叶片工作条件均不相似。
初始几级动叶片除在高温过热蒸汽中工作外同步还承受着最大静应力、动应力及交变应力作用,普通发生高温氧化腐蚀、磨蚀和高温蠕变破坏。
随着过热蒸汽膨胀作功,蒸汽温度逐渐减少,最后几级叶片虽然工作温度较低(60℃~110℃),但叶片却承受蒸汽中夹杂水滴冲刷,导致水冲蚀。
此外,运营过程中沉积在叶片上可溶性盐垢(如钠盐)吸取蒸汽由于温度减少冷凝出来水份形成腐蚀性电解液覆在叶片表面,导致电化学腐蚀与此同步,由于末级叶片尺寸较大,在高速旋转中(约3000r/min)产生很大离心力,此外叶片还受蒸汽不稳定周期性扰动力作用产生振动。
末级叶片在离心力,叶片振动以及水冲刷复杂应力状态下,加上工作于具备腐蚀性环境下,往往产生应力腐蚀,腐蚀疲劳,疲劳等破坏。
实际失效叶片经常是上述各种破坏方式复合成果。
另一方面每一级叶片工作温度都不相似。
并且工作在高温、高压、高转速或湿蒸汽区等恶劣环境中,经受着离心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蚀和振动以及湿蒸汽区高速水滴冲蚀共同作用。
最后按照叶片工作条件可分为动叶和静叶两种。
汽轮机叶片,特别是动叶片所处工作条件是极其恶劣。
重要体当前每一级叶片工作温度都不相似。
第一级叶片所处温度最高,接近于进口蒸汽温度,随后由于蒸汽逐级作功,温度逐级减少,直到末级叶片将降到100℃如下。
此外叶片是在运动着水蒸汽介质中工作,其中多数是在过热蒸汽中工作而末级叶片是在潮湿蒸汽中工作,过热蒸汽中具有氧会导致高温氧化腐蚀,使叶片疲劳强度减少。
在湿蒸汽区可溶性盐垢吸取水珠成为电解液导致电化学腐蚀,此外湿蒸汽区游离水分子由于过冷凝结成水滴,冲击动叶进汽侧背弧面导致水冲蚀。
汽轮机工作过程中,动叶片还承受着最大静应力、动应力及交变应力。
重要体当前转子旋转时作用在叶片上离心力所引起拉应力,汽流作用产生弯曲应力和扭力以及叶片受激振力作用产生逼迫振动交变应力,所有这些恶劣工作环境,都将促使叶片失效断裂,个别叶片断裂后,其碎片可将相邻或下一级叶片打碎,使转子失去平衡而无法工作。
为使汽轮机长期安全运营,在机组检修时应十分注重叶片质量检查,对断裂失效叶片应分析断裂因素,采用防患办法延长叶片使用寿命。
四、失效分析及性能规定
(一)汽轮机叶片失效分析
汽轮机叶片工作环境恶劣,而不同工作区叶片所处工作环境不同,由此导致不同失效方式。
工作于高温高压干燥过热蒸汽中高、中压缸叶片,虽然失效形式各种各样但究其本质可大体归结为两类:
腐蚀类和疲劳类。
1.腐蚀类
研究表白,与腐蚀关于失效(涉及电化学腐蚀,应力腐蚀,腐蚀疲劳)约占叶片失效3%,而由纯疲劳引起失效占12%,其他各种因素引起失效占5%。
而腐蚀类又可大体细分为电化学腐蚀,应力腐蚀和腐蚀疲劳。
为了防止汽轮机叶片腐蚀,良好水化学控制是被人公认。
给水中杂质浓度有严格控制。
但是,虽然在停机和运营期间进入汽轮机杂质非常少,它也能在机组运营时候被浓缩到有害水平。
有害沉积物从湿蒸汽中吸取水份将形成具备一定浓度腐蚀性电解液并覆于叶片钝化膜表面。
当钝化膜由于某种因素发生破损或产生缺陷,裸露于腐蚀液中金属微区将和整个叶片钝化膜保护区构成一种小阳极大阴极腐蚀电池,裸露金属微区如果其钝化膜得不到迅速修复,将由于阳极溶解被不断地腐蚀掉。
此时整个叶片腐蚀速率也许不会很大,但裸露金属微区处将由于大阳极腐蚀电流而使其腐蚀速率被大大地加快。
末级叶片电化学腐蚀最突出体现是点蚀,而整体腐蚀状况很少见。
末级叶片在运转期间,自身质量引起大离心力,叶片型线重心不在一条直线上引起弯曲应力,振动引起动应力,蒸汽冲击引起弯曲应力以及机械加工和热解决引起残存应力,使叶片处在十分复杂应力状态下。
这些应力综合伙用,往往导致较大拉应力,在富氯含氧环境下叶片就会发生应力腐蚀破坏。
因而通过作用于裂纹尖端高应力区使裂纹扩展速率增大而导致应力腐蚀破坏。
腐蚀疲劳对高、中压缸中各级叶片影响不大,但对在低压缸中开始形成冷凝处末级和次末级叶片影响极大点蚀屡次被以为是最易导致腐蚀疲劳破坏前兆,许多叶片失效分析也证明了这一点。
点蚀坑不但使叶片实际强度下降,并且还导致应力集中,在低周应力范畴内能成为裂纹核心。
裂纹普通由坑底部萌生,呈多源状。
在腐蚀性环境中(例如含氯离子环境,湿蒸汽等环境下),裂纹扩展较其在空气环境下要快几种数量级,故导致腐蚀疲劳。
2.疲劳类
末级长叶片断裂和损伤也许由许多与腐蚀无关其他因素所引起。
叶片调频不准和存在应力集中是构造上和工艺上常用毛病。
调频不准使叶片振动严重,为叶片疲劳失效创造了条件,水冲蚀常便叶片有效强度下降且在水蚀坑处导致应力集中,此外由于操作人员错误操作(碰撞、进水),加上构造和制造上缺陷往往容易导致末级叶片高周疲劳失效。
叶片在汽轮机停过中,承受低频高应变疲劳即低周疲劳破坏。
关干低周疲劳对叶片寿命损伤研究当前报道不多,但在起停频繁机组上这个问题不容忽视。
(二)性能规定
依照对汽轮机叶片失效分析,对汽轮机叶片用钢性能提出如下规定:
(a)应具备足够室温和高温机械性能;
(b)良好耐蚀性和抗冲蚀性;
(c)良好减振性;
(d)高断裂韧性;
(e)优良冷、热加工工艺性能。
五、选材及优化
(一)铬不锈钢
牌号:
1Cr13和2Cr13:
热解决工艺:
在调质状态下使用。
1Cr13:
1000~1050℃油淬,700~750℃回火;2Cr13:
950~1000℃油淬,640~720℃回火。
金相组织:
1Cr13:
回火索氏体+少量铁素体;2Cr13:
回火索氏体。
长处:
在室温和工作温度下具备足够强度,还具备较好耐腐蚀性能和减振性。
缺陷:
当温度超过500℃时,热强性明显下降,使用工作温度在450~500℃如下。
1Cr13钢若锻造或淬火温度过高,奥氏体晶粒粗大,有大量块状铁素体生成,振动衰减率和冲击韧性减少。
铬不锈钢抗水冲蚀能力较差。
(二)强化型铬不锈钢
牌号:
2Cr12NiMo1W1V
2Cr12NiMolWlV钢作为GB8732—88《汽轮机叶片用钢》原则一种专用钢种和GB1221原则中2Cr12NiMolWlV钢种相比,其Cr、Mo、W、V和P、S含量控制范畴规定更严格某些,从而中和力学性能也更好某些,两种钢化学成分。
热解决规范及力学性能指标比较见表1和表2。
表12Cr12NiMo1W1V和2Cr12NiMoWV化学成分对比
原则号
钢号
化学成分wt/%
C
Si
Mn
P
S
Ni
Cr
Mo
V
M
GB7321―88
2Cr12NiMo1W1V
0.20―0.25
≤0.50
0.50―
1.00
≤0.030
≤0.030
0.50
―
1.00
11.00―12.50
0.90―1.25
0.20―0.30
0.90―1.25
GB1221―92
2Cr12NiMoWV
≤0.030
11.00―13.00
0.75―1.25
0.20―0.40
0.70―1.25
GB1221―84
表22Cr12NiMo1W1V钢和2Cr12NiMoWV钢解决规范和力学性能
原则号
钢号
热解决规范
经调质力学性能
退火℃
高温回火℃
调质
σ0.2
σb
δs
Ψ
αk
淬火℃
回火℃
退火后硬度
HB
试样硬度
HB
MPa
MPa
%
%
J
不少于
GB732―88
2Cr12NiMo1W1V
860―
930
缓冷
750―
770
快冷
980―
1040油
650―
750空冷
/
277―311
760
930
12
32
GB1221―92
2Cr12NiMoWV
830―
930
缓冷
/
1020―
1070油冷或空冷
600以上空冷
≤269
≤341
735
885
10
25
GB1221―84
735
883
(三)低合金珠光体耐热钢
牌号:
20CrMo、24CrMoV
该类钢特点是合金元素含量较低,比较经济,工艺性能良好,通过调质解决后强度、塑韧性都比较满意,重要用于制造在450℃如下中压汽轮机压力级各级动叶片和隔板静叶片。
(四)铝合金和钛合金
此类合金特点是铝合金和钛合金比重小,耐蚀性好,具备一定强度,在国外已成功用于制造大功率汽轮机长叶片。
钛合金是以钛为基本,加入少量铝、锆、锡、钒和钼等,比重仅为4.5,比钢轻45%左右。
室温机械性能很高,具备良好抗蚀性能。
缺陷:
但是钛合金工艺性能很差,相应力集中比较敏感,减振性比马氏体钢低,成本比较高。
(五)优化
汽轮机叶片用钢应选用品有良好耐蚀性和抗冲蚀性以及良好减振性高断裂韧性和优良冷、热加工工艺性能并且具备足够室温和高温机械性能。
对普通铬不锈钢而言,虽然在室温和工作温度下具备足够强度,还具备较好耐腐蚀性能和减振性,但当温度超过500℃时,热强性明显下降,使用工作温度在450~500℃如下。
其中1Cr13钢若锻造或淬火温度过高,奥氏体晶粒粗大,有大量块状铁素体生成,振动衰减率和冲击韧性减少。
并且抗水冲蚀能力较差。
对强化型铬不锈钢而言通过合金属元素加入,对其性能起到了决定作用,弥补了普通铬不锈钢某些局限性,使其性能得到进一步优化。
对低合金珠光体耐热钢而言,虽然合金元素含量较低,比较经济,工艺性能良好,通过调质解决后强度、塑韧性都比较满意,但只适合制造重要用于制造在450℃如下中压汽轮机压力级各级动叶片和隔板静叶片。
对温度规定高场合则不合用。
对铝合金和钛合金而言,虽然耐蚀性好,具备一定强度,但钛合金工艺性能很差,相应力集中比较敏感,减振性比马氏体钢低,成本比较高。
综合以上阐述,2Cr12NiMolWlV钢是最佳选取。
六、拟定尺寸和热解决工艺
(一)热解决工艺
2Cr12NiMolWlV钢是一种高温马氏体不锈钢,作为叶片专用钢,要获得较满意综合力学性能,受到诸多因素制约。
热解决过程无疑是最核心因素之一。
常规做法是:
叶片胚料锻后先做等温退火,然后调质。
2Cr12NiMolWlV钢基本采用GB8732—88原则推荐热解决规范,见表3。
1.等温退火
等温退火与完全退火和不完全退火区别在于,奥氏体化后不是随炉冷却而是冷至恰当温度保温,使奥氏体在这个温度下进行等温转变,形成珠光体。
这些钢采用完全退火或不完全退火来获得珠光体组织是十分困难,由于奥氏体化后必要非常缓慢地冷却才干在持续冷却过程中完毕珠光体转变,否则便于工作会形成马氏体,使钢变硬,无法进行切削加工。
因此在对热解决中档温退火和完全及不完全退火对比中选取了等温退火。
表32Cr12NiMolWlV钢热解决规范
原则号
钢号
热解决规范
经调质力学性能
退火℃
高温回火℃
调质
σ0.2
σb
δs
Ψ
αk
淬火℃
回火℃
退火后硬度
HB
试样硬度
HB
MPa
MPa
%
%
J
不少于
GB732―88
2Cr12NiMo1W1V
860―
930
缓冷
750―
770
快冷
980―
1040油
650―
750空冷
/
277―311
760
930
12
32
而这样低冷却速度在实际生产条件下却是很难实现。
并且虽然可以设法实现,生产周期也显得过长,极不经济。
采用等温退火,使奥氏体在既能转变为硬度不太高珠光体,完毕转变所需时间又不太长温度下进行等温转变,不但以便易行,并且可以缩短生产周期。
等温退火尚有一种长处,那就是等浊转变形成组织比较均匀,不象持续冷却转变那样,在较高温度下与低较温度下形成不完全相似组织。
等温退火加热规范和完全退火或不完全退火相似。
使奥氏体发生等温转变温度和保温时间应依照钢TTT图选定。
选取原则是在保证钢硬度合乎规定前提下,奥氏体能在较短时间内完毕球光体转变。
由加热温度冷至等温转变温度冷却速度无关紧要。
在不考虑内应力问题时,等温转变结束后即可出空冷。
其等温退火工艺曲线图1。
2.机械加工过程去应力退火
汽轮机叶片在机械加工过程中,由于刀具挤压、切削热等影响,使模具内部组织发生不均匀体积变化,产生内应力。
内应力存在,使内部组织处在一种极不稳定状态,有着强烈恢复到无应力状态倾向。
在内应力不断释放过程中,汽轮机叶片形状发生变化,原有加工精度逐渐丧失,对机械加工后内应力没有完全释放汽轮机叶片在随后淬火解决时会发生更大变形或淬火裂纹,因而在机械加工过程中应及时进行去应力退火解决。
2Cr12NiMolWlV汽轮机叶片用钢去应力退火曲线如图2示。
温度
860-930℃
炉冷100℃/h
3-4min/mm2.5-3min/mm冷却至室温
时间
图12Cr12NiMolWlV钢等温退火工艺曲线图
温度℃
620-650℃
随炉升温
保温3-4h炉冷
时间(h)
图22Cr12NiMolWlV钢去应力退火工艺曲线
3.调质
高温回火后得到回火索氏体组织。
工件淬火并高温回火复合热解决工艺称为调质。
调质后,汽轮机叶片具备优良综合力学性能。
因汽轮机叶片承受着最大静应力、动应力和交变应力,对其所规定性能也就很高,大都在比较大动载荷作用下工作,它们承受着拉伸、压缩、弯曲、扭转或剪切作用,有表面还具备摩擦,规定有一定耐磨性等等。
因而汽轮机叶片应具备优良综合力学性能,即高强度和高韧性恰当配合,以保证其长期顺利工作。
其调质工艺图见图3和图4。
4.成型零件表面强化
由于叶片工作区为湿蒸汽区,且具有大量水滴,在很高轮周速度及离心力下冲蚀叶片,使叶片顶部进气边产生点蚀而失效,叶片抗水蚀能力高低直接影响到汽轮机工作效率及安全运营。
为提高叶片抗水蚀能力,当前重要有如下几种工艺办法:
(1)火焰淬火强化:
在叶片出汽边火焰加热淬火,该办法工艺较简朴但温度不易控制,易产生变形、裂纹、硬度不均匀等问题;
(2)高频感应加热淬火:
该工艺采用感应加热后低温回火,产生2~6mm厚回火马氏体,可提高效率,但感应加热设备复杂,特别使感应圈设计和制作复杂,但也存在变形等问题。
(3)局部加覆盖层:
在进气边局部位置覆盖一层新合金,采用工艺办法有:
钎焊司太立合金片、热喷涂、堆焊、电镀、化学转化膜、涂料与涂装等。
该类办法存在工艺复杂、残存应力大、覆盖层易脱落等问题。
(二)组织及热解决工艺分析
2Cr12NiMoWV钢1020℃淬火组织为板条马氏体和少量分布在原奥氏体晶界上未溶碳化物由于V具备良好抗过热敏感性,淬火硬度普通开始随淬火温度升高而提高,当温度升高到1070℃左右达到最大值,再提高淬火温度,硬度增长很少而晶粒开始长大。
在淬火冷却时,应以较快冷速冷却,以防止共析碳化物析出。
为得到较好综合性能和稳定组织2Cr12NiMolWlV钢普通采用高温回火,得到回火索氏体。
对2Cr12NiMolWlV如果减少Cr含量提高V含量,使钢在回火时析出以VC为主高度弥散碳化物,减少高温下不稳定Cr含量,可以提高其使用温度及高温性能。
七、工艺流程及工艺卡片
工艺流程:
锻造→等温退火→高温回火→粗加工→去应力退火→淬火→高温回火→精加工→检查→表面强化热解决→装配。
为保证2Cr12NiMolWlV钢汽轮机叶片内部组织致密,碳化物及流线分布合理,消除材料物理性能方向性,汽轮机叶片都需采用锻造办法准备毛坯。
但锻造后内部组织变成不稳定结晶,硬度高、力学性能差,切削困难,内应力大,在加工过程中和随后淬火解决时容易产生较大变形和淬裂,因而应及时进行等温退火解决。
2Cr12NiMolWlV钢汽轮机叶片在机械加工过程中,由于刀具挤压、切削热等影响,使模具内部组织产生内应力,从而使内部组织处在一种极不稳定状态,有着强烈恢复到无应力状态倾向。
在内应力不断释放过程中,汽轮机叶片形状发生变化,原有加工精度逐渐丧失;对机加后内应力没有完全释放叶片,在随后淬火解决时会发生更大变形或淬火裂纹,因而在机械加工过程中应及时进行去应力退火解决。
由于汽轮机叶片形状复杂、尺寸精度规定较高,因而精加工普通放在淬火、回火后进行。
工艺卡片见附图。
八、成品检查
(一)硬度检查
使用洛氏硬度计对汽轮机叶片表面进行硬度检查,检查其硬度与否合格,规定硬度277~311HB。
若硬度过高,则进行高温回火,减少其硬度。
硬度过低,则低温回火,使其硬度提高。
(二)金相检查
使用金相显微镜对汽轮机叶片表面进行金相检查,重要检查材料晶界上碳化物偏析、分布状态、晶料度以及晶粒间夹杂等。
组织缺陷及解决办法:
1.带状偏析
由于碳及合金元素严重偏析,特别是铬元素作用。
2Cr12NiMolWlV有时会浮现共晶碳化物,可通过高温长期扩散退火消除。
2Cr12NiMolWlV中普遍存在碳化物带状偏析,通过高温扩散退火能减少成分偏析,提高化学成分和组织均匀性。
运用电渣重熔和真空白耗熔炼压铸模具钢,以及运用稀土变质模具钢,使2Cr12NiMolWlV钢合金元素偏析现象明显削弱,可大幅度提高模具钢冲击韧度。
2.杂质富集带
普通失效2Cr12NiMolWlV中可看到杂质富集带,它集中在碳化物偏析带内,常与共晶碳化物伴生。
提高2Cr12NiMolWlV钢清洁度,采用电渣重熔或炉外精炼工艺,可减少有害杂质含量,特别是S、P含量,是改进2Cr12NiMolWlV钢抗热裂和初期脆性开裂及2Cr12NiMolWlV钢汽轮机叶片寿命重要途径。
结论
1.通过对汽轮机叶片工况分析懂得了汽轮机每一级叶片工作温度都不相似并且工作在高温、高压、高转速或湿蒸汽区等恶劣环境中,经受着离心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蚀和振动以及湿蒸汽区高速水滴冲蚀共同作用。
从而得到了汽轮机叶片两种失效形式即腐蚀类和疲劳类。
2.在对工况和失效形式分析后咱们对汽轮机叶片用钢性能提出了规定,汽轮机叶片应具备足够室温和高温机械性能和良好耐蚀性以及良好抗冲蚀性、高断裂韧性和减振性以及优良冷、热加工工艺性能。
进而初步拟定了汽轮机叶片用钢四种材料,在对四种材料优缺陷分析后咱们选取了2Cr12NiMolWlV钢。
3.在对汽轮机叶片失效形式、规定性能、以及汽轮机叶片尺寸和形状分析后,咱们制定出了如下热解决工艺:
钢坯锻造后等温退火、高温回火、机械加工过程去应力退火、淬火、回火、成型零件表面强化,最后使2Cr12NiMolWlV钢能达到汽轮机叶片所规定性能。
参照文献
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168-169.
热解决工艺卡片
工艺
编号
热解决卡号:
7
炉号:
14
炉状:
箱式
1
性能指标
σb
σs
δs
Ψ
αk
HB
1、技术指标
930MPa
760MPa
0.12
0.32
47J
277-311
2、实验成果
890MPa
721MPa
0.17
0.52
49.87J
304
2
装炉及操作注意事项:
将零件放入箱式炉中间位置,严格按照加热温度、保温时间进行热解决操作。
3
零件尺寸图
尺寸规定
L2
H1H2
L1B
外形:
L1=281mm
L2=243mm
H1=95mm
H2=81mm
B=93mm
钢号:
2Cr12NiMolWlV
技术规定
硬度:
277~311HB
4
零件制造工序:
锻造→等温退火→高温回火→粗加工→去应力退火→淬火→高温回火→精加工→检查→表面强化热解决→装配
5
热解决工艺曲线:
980-1040℃
860-930℃
温750-770℃650-750℃
度620-650℃
℃
时间t
6
工艺序号
工 序
设备
温 度
时 间
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- 关 键 词:
- 汽轮机 叶片 选材 热处理 基础 工艺