重型燃气轮机三大核心热端部件材料的现状及发展.docx

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1、重型燃气轮机三大核心热端部件材料的现状及发展目录?导语1?涡轮透平叶片用材的发展及趋势1?燃烧室用材的发展及趋势5?涡轮轮盘用材的发展及趋势85 .压气机叶片材料106 .未来展望11导语重型燃气轮机热端部件主要包括涡轮叶片、燃烧室和涡轮盘。燃气轮机的效率和可靠性在很大程度上取决于热端部件的技术水平。目前，主流的重型燃气轮机涡轮进口温度均在135OC以上，热端部件的材料几乎无一例外地均选用高温合金。高温合金在整个工作温度范围内具有良好的综合性能，但没有一种合金或合金系统能够满足所有热端部件的要求，必须根据工作状况选用。经过一系列并购、整合，燃气轮机行业形成了以美国GE、日本三菱重工、德国西门子

2、等少数几家公司控制的局面。国内三大燃气轮机公司一一东方电气集团、哈尔滨电气集团和上海电气集团分别通过与三菱重工、GE公司和西门子公司合作，生产成熟的E级、F级及以上的重型燃气轮机。国内企业虽然能够与国外企业合作制造出重型燃气轮机，但尚未完全掌握热端部件的设计、材料及制造技术，其中热端部件的用材问题作为制约国产重型燃气轮机发展的一大难题应受到高度关注。涡轮透平叶片用材的发展及趋势透平叶片是重型燃气轮机的关键零部件，其基体材料需要具有优异的持久蠕变强度和疲劳强度、良好的抗热腐蚀性能和长期组织稳定性，其中抗热腐蚀性能的好坏是决定燃气轮机叶片使用寿命的重要指标。燃气轮机涡轮叶片长时间连续工作在高温、易

3、腐蚀和复杂应力下，工作环境十分恶劣。与航空发动机涡轮叶片相比，燃气轮机涡轮叶片的材料对耐久性、抗腐蚀性要求更高，使得航空发动机涡轮叶片材料不能直接用于燃气轮机涡轮叶片。普通的金属材料很难满足这些要求，因此，只能通过高度的合金化，不断增强合金的高温综合性能。 锂啰W阴*l上。00-壮 H-Rtflednzw图1燃气轮机涡轮叶片材料及成形技术发展燃气轮机叶片材料及其成形技术研究和产业化已有60多年的历史，如图1所示。20世纪4050年代，涡轮叶片以变形钻(CO)基和银(Ni)基高温合金为主要用材；50年代中期，随着真空冶炼技术的商业化，开始研究铸造银基合金；60年代，精密铸造技术成熟，使得复杂叶片

4、型面及冷却通道设计变为可能，通过添加合金元素改善材料的组织结构，提高了铸造高温合金的高温强度，使燃气轮机的入口温度大幅度提高；70年代，定向凝固柱晶高温合金开始用于航空发动机叶片；到了90年代后期，定向凝固柱晶和单晶高温合金开始用于重型燃气轮机动叶片。通过定向凝固技术，将涡轮叶片的组织由传统的等轴晶改进为定向柱晶，能够大大提高涡轮叶片的高温性能。尤其是单晶叶片，在定向凝固的过程中消除了叶片晶界，极大地提高了其高温蠕变性能，且高温组织稳定，综合性能好。目前,大尺寸单晶空心高温合金叶片材料及无余量精密铸造技术是重型燃气轮机叶片制造技术最高水平的标志。近20年来，为了保持世界领先地位，西方发达国家的

5、政府和业界制订和实施了长期多层次的燃气轮机技术研究计划，以推动其产品与产业的进一步发展。例如，美国投资4亿美元发起先进涡轮系统(AdVanCedTUrbineSystem,ATS)计划，欧洲23国联合实施科技合作(COOPeratiOninScience&TechnologyProgram,COST)计划等。这些计划将材料及其成形研究置于重要地位，如COST计划中的501项目着重对高性能材料及其涂层技术进行开发，使燃气轮机转子/静子叶片等热端部件材料能够承受更高的温度。日本近年来推出的21世纪高温材料计划(High-TemperatureMaterial21ProjeCt)为重型燃气轮机用银基

6、高温合金及其成形技术的进一步发展提供了机会。GE公司、西门子公司、三菱重工都各自开发出了材料牌号，并形成了自己的涡轮转子/静子叶片材料体系，见表2o可以看出，GE公司、西门子公司在其F级及以上燃气轮机中普遍采用了单晶叶片和定向柱晶叶片。三菱重工得益于所掌握的先进冷却技术和热隙涂层技术，即使在其最先进的J级燃气轮机上，也没有采用单晶叶片，而仅仅采用定向柱晶叶片。表1列出了重型燃气轮机涡轮叶片用典型Ni基高温合金的主要成分。所有的燃气轮机透平动叶片都采用Ni基合金真空精密铸造而成，而精密铸造技术的快速发展也促进了空心叶片的内冷却技术更快的进步。表1型燃气轮机涡轮叶片用典型Ni基高温合金的主要成分等

7、级合金种类W分(质IUi分数CrCoMoWlTiTaNbRcRuHfNiIN738168.51.752.63.43.41.7KalGwivrnliofui!KEr80149.54435oxlCaWCC)Mnr-M2478IO0.6IO5.5I3-1.5KalGTD-III149.51.63.834.92.8BalMCA140014IO1.54433一一一-KaisIN79212.591.94.53.94-RnlCM247U：8.19.20.59S5.60.73.2-一!.4BdCMSX-IlC14.930.44.53.44.25一-BalPWAI48312.891.93.83.644-KalC

8、MSX-IIB12.570.553.64.25-KalRmN49.87.51.563.74.22.80.5Bal结合上述发展历程来看，从锻造合金改为铸造合金是涡轮叶片选材的一个明显趋势。一方面，高度的合金化使得高温合金塑性降低难于锻压加工，同时，气冷技术需要的内腔形状复杂的叶片只有采用铸造技术才能做到；另一方面，真空铸造、精密铸造、晶粒细化、定向凝固等铸造技术的重大进展也为铸造叶片奠定了基础。铸造应用新工艺充分进行合金化，提高了涡轮叶片的高温性能。表2典型的重型燃气轮机涡轮叶片材料I家燃机瞰号海子叶片转子叶片GE7/9EAFSX-414GTpIll（第I级）l738（第2级）U-500（第3级

9、）7/9FAFSX-414（第】级）GTD222（第2.3级，DSGTDIM（第1级）CTDIlI（第2、3级）7FB/9FBGTDlll（第I2级）CTD222（第3级）RenrN5（第1级）IN；TIM44（第2.3级）7H/9HRmrS（第I级）YCAlWlo（第2.3.4级）501/7OlcM（；A24IM）MGAl4001）S（第1、2级）MGAI40X3,4级）50IJM（iA24MCAl4（XH）S（第I、2、3级）MGAln融物力先行涡轮叶片普遍采用熔模精密铸造成形技术。随着涡轮进口温度、功率的提高,涡轮叶片制造成为一个世界性难题。相比于航空发动机涡轮叶片，燃气轮机涡轮叶片由于

10、尺寸更大，对陶瓷型芯和陶瓷模壳的高温强度要求更高，叶片的尺寸精度更难以保证，各种组织缺陷和铸造缺陷的控制难度更大，如定向柱晶叶片和单晶叶片的杂晶、偏晶、再结晶等缺陷。GE公司的F级的13级动叶片均采用GDT-Ill合金，该合金是在Rene,80基础上发展的新型合金，该合金采用定向凝固技术制造，并在叶片表面喷涂了热障涂层。这使得该合金的使用温度在原有基础上提高了近28。这与三菱公司采用的MGA1400合金的使用温度相近。我国在上世纪70年代参照IN738等合金形成了自己的高温合金产品系列，其中具有代表性的高温合金有：K406合金（对应U500）、K4537和K438合金。近几年中，沈阳金属所先后

11、发展出了铸造多晶的M36、M38、M40、M38G合金、定向柱晶DZ38G和DSMll合金、单晶DD8和DDlO等抗热腐蚀涡轮叶片材料。其中M38合金用于Fr5系列和MS6001燃机一级涡轮叶片，目前Fr5燃机一、二级涡轮叶片已打入国际市场；DSMll合金性能已达到DSGTD-111合金性能水平。为满足舰载机高压涡轮叶片研制的需要，还研发了单晶合金DDlO,其性能水平超过目前FWSIO发动机使用的DZ125合金，而且抗热腐蚀性能与著名的抗热腐蚀合金IN738相当。透平静叶片的基体材料与动叶片一样，也采用了Ni基合金，燃气透平喷嘴比叶片需有更强的抗高温蠕变强度，目前GE公司使用的主要是FSX-4

12、14和GTD-222o为提高其抗腐蚀、耐高温性能，除了使用性能更好的材料外，GE公司同时开发了真空等离子喷涂（VPS）技术，使燃气透平进口温度提高至1430C,有效地解决了F级燃气轮机材料的耐高温难题。我国沈阳金属所在上世纪80年代就已经仿制成功FSX-414合金（国内牌号K6414）,并在此基础上又发展了定向合金DZ40M,从2000年开始研制的M22合金也已达到GTD-222合金的性能水平。目前，在E/F级重型燃气轮机的透平叶片上采用高温合金，表面喷涂的热障涂层与空气冷却技术均达到极限，这可保证在燃气初温135Oe时叶片的总寿命达到十万小时。而“先进级”（G/H级）与“当代级”（E/F级）

13、最大差别是采用蒸汽作为燃烧室和透平叶片的冷却工质，这使得燃气温度提高了近100,即达到1450C的水平。欧、日美等国家正在探索“未来级”（燃气初温达1500C000C）燃气轮机的新一代高温材料与冷却技术。?.燃烧室用材的发展及趋势燃气轮机燃烧室最主要的高温部件是火焰筒，由于该部件相对静止，因此，对材料的强度要求比叶片低，但对高温下耐腐蚀、耐氧化性能要求较高，此外,还同时具备较好的可焊接性和加工性。燃烧室材料一般采用高温合金，如InCOnel600和HayneS188等合金，后者为钻基高温合金，有着更高的抗热腐蚀性能，其使用温度可以提高55。目前HaStellOy-X和RA333合金（国产化牌号

14、GH4333）仍是国内外制造火焰筒的主要材料。GE公司已应用更好的NimOniC263合金用于火焰筒制造，而国内采用的GH222合金应用效果也较好，但主要限于航空领域使用。从工况看，燃烧室是燃气轮机承受温度最高的部件，燃烧室材料应具有足够的高温机械强度、良好的抗热疲劳和抗氧化性、较高的高温高周疲劳强度及蠕变强度。从工艺看，燃烧室材料还需具有非常好的成形性能及焊接性能，焊后热处理开裂的倾向性要小。为了满足以上工况和工艺要求，燃烧室材料通常采用银基高温合金。近年来，为进一步提高燃气轮机效率，燃烧室选用了合金化程度更高的高温合金材料，如HayneS230,但其高温变形抗力大，易产生轧制裂纹，这对制造

15、设备和生产工艺都提出了新的要求。图2主要燃烧室用材的持久强度对比表3典型重型燃气轮机燃烧室材料公司上回型号燃烧室火焰筒燃烧室过渡段GK9EIlaslplliiyXXinkiftK*2636FA,7FA、9FAHaMrIIoyXZHS-188NiinOni,2637/9HllaqHayneS230和HayneS188的持久性能均优于HasteIIoyX合金。虽然Nimonic263合金在短时有较高的蠕变强度，但在长时间蠕变后性能下降比Haynes230和Haynes188合金快，Haynes230和Haynes188合金在高温低应力长时间下的持久强度则比较接近，均优于Nimonic263合金，但

16、从Haynes230合金在980下100Oh的抗氧化性能测试来看，其抗氧化性要优于HayneS188合金。典型的燃烧室用材见表3。F级燃气轮机燃烧室中火焰筒和过渡段在1400C以上的高温下工作，表面必须用热障涂层进行保护。GE公司的燃气轮机在火焰筒和过渡段上均制备了0.40.6mm的热障涂层涂层，结合层为MCrAIY,陶瓷层为YTTRIA氧化错，每25涂层厚度可降低温度49。西门子公司的E级、F级燃气轮机燃烧室为整体环形结构，由陶瓷隔热瓦和金属隔热瓦组成环形空腔以隔离高温燃气，其中金属隔热瓦上也喷涂了热隙涂层，过渡段则采用了内表面喷涂热障涂层的IN617合金。?.涡轮轮盘用材的发展及趋势涡轮轮

17、盘轮缘长期工作在550600C,而轮盘中心工作温度则降至450C以下。不同部位的温差造成了轮盘的径向热应力非常大。此外，轮盘外缘梯齿在燃气轮机起停过程中会承受较高的低周疲劳载荷作用。故涡轮轮盘的材料在使用温度下应具有更高的抗拉强度和屈服强度，能够承载高工作应力，具有非常好的抗冲击性能和耐蠕变性能，特别是变工况载荷下应具有良好的抗疲劳性能，而且短时超温不会对轮盘材料造成蠕变损伤。为此，除了合金钢和耐热钢，涡轮轮盘在选材上也应考虑选择具有良好综合性能的变形高温合金，如IN718和IN706合金。燃气轮机涡轮轮盘直径是航空发动机的36倍。在质量上，相对于几百千克的航空发动机轮盘，F级燃气轮机轮盘可达

18、到Iot以上，使得轮盘在制造上会遇到诸多问题。对于使用变形高温合金的大型涡轮轮盘，其制造的关键技术在于大尺寸无偏析钢锭冶炼技术和大尺寸轮盘锻造技术。对于大型高温合金钢锭，通常要求进行三联工艺冶炼，即真空感应(VlM)+电渣重熔(ESR)+真空自耗重熔(VAR),以尽可能提高合金的纯净度。此外，铸锭过程还需解决铜(Nb)元素偏析的问题。对于沉淀强化型变形高温合金，由于大量强化相的析出，锻造温度必须控制在Y相溶解温度以上，而且由于固溶强化元素增多，合金在固溶状态的变形抗力也较大，并且为防止晶粒粗化，锻造温度不能过分升高，其范围非常有限。GE公司早期的F级以下的燃气轮机，普遍选用CrMoV低合金钢做

19、为轮盘材料。三菱重工、阿尔斯通及西门子公司为满足传统合金钢或耐热钢轮盘的使用要求，采用增强冷却技术对轮盘进行降温。阿尔斯通公司的轮盘材料选用了12CrNiMoV;西门子公司选用了22CrMOV和12CrNiM;三菱重工公司的F3和F4燃气轮机涡轮进口温度分别达到140Oe和1427,但依然采用10325TG(NiCrMoV合金钢)作为涡轮第14级轮盘材料，这得益于该公司的空气冷却器(TCA)技术，并且其第1级涡轮轮盘进气侧有NiCr-Cr3C2涂层保护。随着F级燃气轮机压气机的压比和出气温度的提高，需要在更高温度下能够承载高应力的轮盘材料。银基变形高温合金由于具有极佳的蠕变抗力，在高温下亦有较

20、高的力学强度，作为轮盘材料被广泛应用于航空发动机和重型燃气轮机中，如A286、DiscaloyRene41Rene95Udimet520Udimet720Waspaloy.IN706IN718等。IN706和IN718合金在20世纪50年代左右开发成功后，一直作为航空发动机涡轮盘主选材料。由于IN718材料含5.0%5.5%的银，易于形成雀斑型偏析，受限于冶炼和铸锭技术，20世纪国际上公认其钢锭尺寸不能超过500mmo因此,GE公司在20世纪80年代末采用铜含量较低的IN706合金作为F级燃气轮机的涡轮轮盘材料，经过VIM+ESR+VAR三联工艺冶炼其钢锭直径可达到1000mm,钢锭质量达到1

21、5t,轮盘锻件质量约103直径达到2200mm。借鉴IN706的制造经验，在20世纪90年代中后期，GE公司已经开发出了200Omm级别的IN718轮盘锻件，其所用钢锭直径达到686mm,钢锭质量达到9t。GE公司在羽FB、7H出H燃气轮机中开始使用IN718轮盘，其中9FB燃气轮机使用的轮盘钢锭质量达到了15t以上，其直径超过了2000mm,是目前有报道的最大的IN718轮盘，如图3所示。各公司燃气轮机轮盘用材情况见表40图3GE公司9FB燃气轮机大型IN718涡轮轮盘（后）与航空发动机轮盘（前）对比表4GE公司9FB燃气轮机大型IN718涡轮轮盘（后）与航空发动机轮盘（前）对比公司机组型号

22、轮盘材料(；7E.9E,CrMoV6F.7FA、9FA.IN7()679FB.7/9HIN718法用LF3、F4101251(；iCMo)阿尔斯通12CrNiM西门子22CrMCV012CrNiMC表4各公司燃气轮机涡轮轮盘用材道的最大的IN718轮盘，如图3所示。各公司燃气轮机轮盘用材情况见表4o5 .压气机叶片材料压气机叶片采用锻造、机加等工艺制造，因使用温度较低，一般采用AISI403（国内牌号ICrl2Mo）AISI403Cb（国内牌号ICrl2MoNb）或国内外汽轮机常用牌号17-4PH不锈钢，在温度较高的末几级常采用含Nb的改进型AISI403（国内牌号2C门OMOVNbN）。上世

23、纪80年代重燃机组改进时，采用了沉淀硬化的马氏体不锈钢GTD-450o国内根据GTD-450材料自主研制了牌号为Crl5Ni7Cu2MoNbVN的合金，相较于GTD450,该合金具有更高的强韧性，常温力学性能好，综合性能优良，抗疲劳和抗腐蚀性能高，减震性好，焊接性能好，并具有良好的锻轧、模锻成型和机加工等工艺性能。6 .未来展望为了进一步提升燃气轮机效率，新一代重型燃气轮机工作温度已接近1700C,高温部件长期运行在金属熔点以上，同时承受着极高的应力和腐蚀工况,部件工作环境极其恶劣，而零件的设计和制造难度也极大。在重型燃气轮机材料和智能制造方面，目前需要大力开发新一代高温材料与冷却技术,开发更

24、为先进的涂层，进一步改善高温部件的抗氧化和抗热疲劳性能。研究工作应该集中在开发新一代高温合金、粉末冶金材料、金属基/陶瓷基复合材料、先进的涂层技术，以及与其相应的新一代冷却技术。增材制造（即3D打印技术）也将逐渐应用于未来燃气轮机关键零部件的制造。我国重型燃气轮机装备与行业取得重大突破，一方面，需要科研院所、高校、创新中心、动力集团、制造企业之间的大力协同，联合开展关键核心技术攻关；另一方面，需要兼顾研发设计的可制造性、成本效益和商业利益，以契合市场需求、获得客户认可信任为最终目标。燃气轮机是一种先进而复杂的成套动力机械装备，是典型的高新技术密集型产品。发展集新技术、新材料、新工艺于一身的燃气轮机产业，是国家高技术水平和科技实力的重要标志之一。涡轮叶片、燃烧室、涡轮轮盘一一燃气轮机的三大核心热端部件的材料及成形技术难度高，涉及高温合金、陶瓷材料、冶金、铸造、锻造、焊接、热处理、机加工、无损检测、性能评价等多个学科和专业，周期长、投资大，须多单位协同合作，以早日突破热端部件研制关键技术，全面实现重型燃气轮机的国产化。