LM2500燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵部件用材分析

呂振家，彭建強(qiáng)，張宏濤，祝海義

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱，150046）

0 引言

與其他傳統(tǒng)動(dòng)力相比，航改燃?xì)廨啓C(jī)（簡(jiǎn)稱燃機(jī)）具有功率大、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、維護(hù)方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，自誕生之日起就受到工業(yè)界的高度重視，在電力工業(yè)、管道輸送、石化冶金、艦船動(dòng)力等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。GE公司的LM2500型燃?xì)廨啓C(jī)屬于航改式燃?xì)廨啓C(jī)，自20世紀(jì)70年代初正式投入使用以來，已經(jīng)產(chǎn)生LM2500、LM2500+、LM2500+G4等一系列型號(hào)，整機(jī)性能不斷提高，涵蓋了從23 MW至33 MW的功率等級(jí)。其中，LM2500+G4型燃?xì)廨啓C(jī)是GE公司最新的LM2500系列航改型燃?xì)廨啓C(jī)，它繼承了 LM2500系列燃?xì)廨啓C(jī)的高可靠性和可用性，其大部分零件與LM2500型燃?xì)廨啓C(jī)具有通用性[2]。

高溫材料是燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的基礎(chǔ)，LM2500型燃?xì)廨啓C(jī)性能參數(shù)的不斷提高得益于材料技術(shù)的不斷發(fā)展。本文在分析LM2500系列燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵部件用材特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合最新的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)用高溫材料發(fā)展技術(shù)，給出LM2500系列燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵部件用材升級(jí)方案。

1 LM2500主要部件用材

LM2500型燃?xì)廨啓C(jī)主要由16級(jí)軸流式壓氣機(jī)、環(huán)形燃燒室、2級(jí)軸流式高壓渦輪和6級(jí)軸流式動(dòng)力渦輪構(gòu)成，其主要選材如下[3－5]：

壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和靜子由鈦合金和鎳基合金制造。第1～14級(jí)動(dòng)葉片和第1、2級(jí)靜葉片采用Ti－6Al－4V制造；第15、16級(jí)動(dòng)葉片和第3～16級(jí)靜葉片采用A286制造。轉(zhuǎn)子為短鼓－輪盤結(jié)構(gòu)，第1～10級(jí)采用鈦合金制造，其余采用IN718合金制造。

燃燒室火焰筒采用Hastelloy X和Hayness 188制造，過渡段采用In718、Rene 41和Hastelloy X制造。

高壓渦輪第1、2級(jí)動(dòng)葉片和第2級(jí)靜葉片采用鑄造Rene 80合金制造，第1級(jí)靜葉片采用X－40。優(yōu)化后的LM2500機(jī)組，第1級(jí)動(dòng)葉片和靜葉片材料均改為Rene N5單晶材料，第2級(jí)靜葉片材料由Rene 80改為Rene 125。機(jī)匣采用IN718、Rene 41、Hastelloy X和Haynes 188制造。

動(dòng)力渦輪第1～3級(jí)靜葉片采用Rene 77精密鑄造工藝制造，第4～6級(jí)靜葉片采用Rene 41制造，動(dòng)葉片采用Rene 77制造，輪盤和機(jī)匣均采用IN718制造。

2 壓氣機(jī)材料

2.1 鈦合金

由于LM2500機(jī)組廣泛用作艦船動(dòng)力裝置，對(duì)機(jī)組重量有較高的要求。因此，壓氣機(jī)葉片等采用鈦合金制造。其他同級(jí)別艦船動(dòng)力用燃?xì)廨啓C(jī)也普遍采用鈦合金制造壓氣機(jī)葉片和輪盤。LM2500壓氣機(jī)部分動(dòng)葉片和輪盤采用Ti－6Al－4V（國(guó)內(nèi)牌號(hào)為TC4）制造，同級(jí)別燃?xì)廨啓C(jī)也有采用TC8和TC11作為壓氣機(jī)葉片和輪盤材料[6]。

TC4（Ti－6Al－4V）鈦合金是美國(guó)在 1954 年研制成功的Ti－Al－V系α－β型鈦合金，含有6% 的α穩(wěn)定元素Al和4%的β穩(wěn)定元素V。TC4鈦合金的主要特點(diǎn)是具有優(yōu)異的綜合性能和良好的工藝特性。該合金的應(yīng)用非常廣泛，其產(chǎn)量幾乎達(dá)鈦合金總產(chǎn)量的一半[7]。目前，針對(duì)不同的使用條件和工藝要求，各國(guó)都出現(xiàn)了許多Ti－6Al－4V鈦合金的改型，其主要區(qū)別是不同的Al、V含量和較低的間隙元素雜質(zhì)含量[8]。

TC11鈦合金是一種綜合性能良好的α－β型鈦合金，在500℃以下具有優(yōu)異的熱強(qiáng)性能，并且具有較高的室溫強(qiáng)度。該合金還具有良好的熱加工工藝性 （包括常規(guī)工藝性能和超塑性），可以進(jìn)行焊接和各種方式的機(jī)加工。目前，隨著TCl1鈦合金應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，該合金的β熱處理及等溫鍛已獲得迅速的發(fā)展[9]。

TC8是仿制俄羅斯的一種綜合性能優(yōu)異的αβ型熱強(qiáng)鈦合金，在400～600℃具有較高的強(qiáng)度，主要用于制造模鍛件。

氫在鈦中的擴(kuò)散速度非?？?，會(huì)形成一種β共晶系，且在合適的條件下，例如在酸洗條件下或極高壓的氫中暴露時(shí)，能在室溫下發(fā)生氫污染。在一定的條件下，如低至150 ppm～200 ppm，也可使材料的塑形劇烈下降。因此，通常將鈦合金中的氫含量控制在150 ppm以下，如表1所示。當(dāng)有氫存在時(shí)，α和α－β型鈦合金可能在應(yīng)力大大低于其屈服強(qiáng)度的條件下以脆性方式斷裂。目前，可用真空冶煉和真空退火熱處理使氫在大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品中保持一個(gè)較低的水平[10]。

表1 鈦合金材質(zhì)的化學(xué)成分[8-9]單位：wt%

2.2 高溫合金

壓氣機(jī)葉片和輪盤采用變形高溫合金制造，材料為A286和IN718。

A286是一種鐵基高溫合金，主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件。在1965年左右，采用A286可以制造大尺寸錠型后，開始廣泛用于工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)部件。然而，由于A286的成本較高，且制造工藝相對(duì)復(fù)雜，而對(duì)于壓氣機(jī)葉片和輪盤而言，其工作溫度并不是很高。因此，開發(fā)了一種Ni含量在2%～3%的12Cr材料M－152，其化學(xué)成分如表2所示。M－152具有優(yōu)異的斷裂韌性，其他性能與同類12Cr鋼相同，其蠕變持久強(qiáng)度介于CrMoV鋼和A286合金之間，如圖1所示。所以，作為壓氣機(jī)葉片和輪盤材料，A286逐漸被M－152代替。

圖1 幾種壓氣機(jī)輪盤材料不同溫度下10萬小時(shí)持久強(qiáng)度比較[11]

表2 LM2500型燃?xì)廨啓C(jī)用高溫合金化學(xué)成分 [11-12]

圖2 新型FX550大型輪盤鍛件[13]

IN718是一種沉淀硬化型Ni基高溫合金，各項(xiàng)性能優(yōu)異，作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤材料已經(jīng)有超過20年的應(yīng)用歷史。也廣泛用于制造中小型燃?xì)廨啓C(jī)透平輪盤鍛件材料。然而，由于如下兩個(gè)原因，很難制造大型輪盤鍛件。

（1）其成分復(fù)雜，導(dǎo)致大型合金錠偏析嚴(yán)重；

（2）強(qiáng)化相 γ＇和 γ＇＇含量高，可鍛造性能較差。

為了解決上述問題，世界各知名燃?xì)廨啓C(jī)制造商都開展了相關(guān)的研究工作。比如日本三菱公司通過優(yōu)化成分，開發(fā)出一種新型大型輪盤鍛件材料FX550，其力學(xué)性能與IN718相當(dāng)，可制造性與IN706相當(dāng)。目前，已經(jīng)制造出直徑達(dá)1180 mm且無宏觀偏析的輪盤鍛件，如圖2所示。

3 燃燒室材料

LM2500燃燒室材料主要有Hastelloy X、Hayness 188等。

Hastelloy X是一種含F(xiàn)e、Cr較高的固溶強(qiáng)化型鎳基高溫合金，國(guó)內(nèi)對(duì)應(yīng)牌號(hào)為GH3536，具有較好的抗氧化性能和高溫蠕變性能，其成型性也較好，工作溫度可達(dá)980℃，短時(shí)工作可達(dá)1090℃，是制造燃燒室部件比較合適的材料。合金在650～980℃長(zhǎng)期高溫時(shí)效有一定程度的時(shí)效硬化現(xiàn)象，成型性有所下降[14]。

Haynes 188是一種固溶強(qiáng)化型鈷基合金，對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)牌號(hào)為GH5188。合金中加入14wt%的W進(jìn)行固溶強(qiáng)化，使合金具有良好的綜合性能。合金具有較好的冷熱加工塑形和焊接等工藝性能，適于制造980℃以下要求高強(qiáng)度和1100℃以下要求抗氧化性能的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)部件[15]。

由于Co的成本很高，所以在Haynes 188的基礎(chǔ)上，通過降低Co含量、提高Ni含量，并添加2wt%的Mo，得到一種性能更加優(yōu)異的Ni基合金Haynes 230。該合金的抗氧化能力可達(dá)1150℃，比Haynes188提高155℃，且同樣具有優(yōu)良的組織穩(wěn)定性及滿意的成型、焊接等工藝性能[16]。

4 透平材料

LM2500高壓透平和動(dòng)力透平使用的材料有X40、 Rene 41、 Rene 77、 Rene 80、 Rene 125、Rene N5、IN718等。

X40是固溶強(qiáng)化加碳化物強(qiáng)化型鈷基鑄造高溫合金，對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)牌號(hào)為K640。X40在高溫下具有優(yōu)異的熱疲勞性能和抗氧化、耐腐蝕性能，特別適合制造1000℃以下工作的燃?xì)廨啓C(jī)靜葉片。

Rene 41是一種上世紀(jì)50年代中期發(fā)展起來的高強(qiáng)度的鎳基沉淀強(qiáng)化高溫合金。該合金主要用于焊接噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的固定組件和燃?xì)鉁u輪機(jī)的關(guān)鍵部件，能在815℃下長(zhǎng)期使用，在980℃短時(shí)間使用。同時(shí)，也是這個(gè)溫度范圍內(nèi)強(qiáng)度最高的高溫合金[17]。

Rene 77是一種變形或鑄造鎳基合金，在Udimet 700和Astroloy合金的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，因?yàn)檫@兩個(gè)合金的組織不夠穩(wěn)定，在815～870℃長(zhǎng)期應(yīng)力作用后都產(chǎn)生脆性片狀σ相，嚴(yán)重降低材料的持久強(qiáng)度、室溫和中溫塑形。為了改進(jìn)合金性能，美國(guó)的許多研究工作者計(jì)算統(tǒng)計(jì)了大量爐號(hào)合金的電子空位數(shù)Nv，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Nv值小于2.32時(shí)不產(chǎn)生σ相。因此，調(diào)整了合金成分，適當(dāng)降低了Mo、Cr和Co的含量，成功研制了Rene 77合金。該合金在980℃以下具有良好的蠕變持久強(qiáng)度、抗硫化腐蝕性能，高溫拉伸塑形和高溫長(zhǎng)時(shí)組織穩(wěn)定性，是制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片的主要材料之一[14]。

Rene 80是美國(guó)通用公司為長(zhǎng)壽命噴氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片研制的鎳基高溫合金，在1040℃以下具有很高的持久強(qiáng)度，很好的耐腐蝕性能和長(zhǎng)期組織穩(wěn)定性。其他高強(qiáng)度渦輪葉片合金（如Rene 100、 IN100、 B－1900 和 Mar－M200）的耐熱腐蝕性能較差，耐腐蝕性較好的的合金（如Rene 77、U－500和U－700）的持久強(qiáng)度又較低，而Rene 80是綜合性能較好的渦輪葉片材料[14]。

與 Rene80相比，Rene 125降低了 Cr、Mo、Ti的含量，提高了W、Al的含量，并添加了3.8wt%的難熔金屬Ta（見表2）。W和Ta都是難熔金屬，而Al是時(shí)效強(qiáng)化相γ’（Ni3Al）的主要組成元素，因此Rene125合金的使用溫度比Rene80提高約 35 ℃[18]。

Rene N5是美國(guó)GE公司研制的第二代單晶葉片材料。第二代單晶葉片材料的典型特征是含有3wt%的Re元素。然而，大量添加難熔金屬的同時(shí)會(huì)引起偏析加劇、共晶增多和有害的 TCP相析出等一系列問題[18]，從而導(dǎo)致合金固溶處理的溫度升高、時(shí)間延長(zhǎng)、成本顯著提高。同時(shí)由于Re等元素儲(chǔ)量稀缺且價(jià)格昂貴，使得先進(jìn)單晶合金的成本成倍增加，制約了這類合金的推廣應(yīng)用[20]。

為了解決以上問題，最近世界上的一些研究機(jī)構(gòu)開始發(fā)展低成本高溫單晶合金，通過優(yōu)化其它難熔元素的添加量，來降低Re含量，以使合金的承溫能力達(dá)到二代甚至接近三代的水平。

GE公司在Rene N5基礎(chǔ)上通過調(diào)整W、Mo、Re和 Cr等元素的含量獲得一種低Re合金Rene N515。該合金的Re含量降低到 1.5wt%，同時(shí)還簡(jiǎn)化了合金的熱處理工藝。Rene N515的蠕變持久強(qiáng)度和抗氧化性能與Rene N5相當(dāng)，如圖3和圖4所示。Rene N515合金正在CFM56噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用。GE公司還在研發(fā)無Re的單晶合金Rene 500[21]。

圖3 Rene N5和N515合金的蠕變持久強(qiáng)度比較[21]

圖4 Rene N5和N515合金的抗氧化性能比較[21]

NIMS通過改變W、Ta含量，利用了高M(jìn)o+W+Ta含量來有效提高 γ'體積分?jǐn)?shù)、基體固溶強(qiáng)化能力等來提升蠕變壽命，設(shè)計(jì)出只含有2.4wt%Re的TMS-82+，其使用溫度超過二代合金[22]。

5 總結(jié)

經(jīng)過近50年的發(fā)展，LM2500的性能不斷優(yōu)化，同時(shí)伴隨著材料的不斷升級(jí)和換代。本文在分析LM2500型燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵部件選材特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)材料技術(shù)的發(fā)展，給出了LM2500型燃?xì)廨啓C(jī)部分關(guān)鍵部件材料的升級(jí)方案，如下：

（1）壓氣機(jī)動(dòng)靜片用A286采用成本更低、制造工藝更好且能滿足使用要求的12%Cr材料M-152代替。

（2）燃燒室部件用鈷基合金Hayness188采用成本低、高溫強(qiáng)度更高的鎳基合金Hayness230代替。

（3）輪盤用鎳基合金IN718采用制造工藝性更加優(yōu)異的新型合金代替。

（4）透平動(dòng)靜葉片用第二代單晶材料Rene N5采用組織更加穩(wěn)定、成本更低的低Re或無Re單晶材料代替，比如GE公司新開發(fā)的Rene N515和N500合金。

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