重型燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件材料發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

■ 楊功顯 張瓊元 高振桓 鞏秀芳 楊照宏/東方汽輪機(jī)有限公司 長(zhǎng)壽命高溫材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

重型燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件主要包括渦輪葉片、燃燒室和渦輪盤(pán)。燃?xì)廨啓C(jī)的效率和可靠性在很大程度上取決于熱端部件的技術(shù)水平。目前，主流的重型燃?xì)廨啓C(jī)渦輪進(jìn)口溫度均在1350℃以上，熱端部件的材料幾乎無(wú)一例外地均選用高溫合金。高溫合金在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)具有良好的綜合性能，但沒(méi)有一種合金或合金系統(tǒng)能夠滿足所有熱端部件的要求，必須根據(jù)工作狀況選用。

經(jīng)過(guò)一系列并購(gòu)、整合，燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)形成了以美國(guó)GE、日本三菱重工、德國(guó)西門(mén)子等少數(shù)幾家公司控制的局面。國(guó)內(nèi)三大燃?xì)廨啓C(jī)公司——東方電氣集團(tuán)、哈爾濱電氣集團(tuán)和上海電氣集團(tuán)分別通過(guò)與三菱重工、GE公司和西門(mén)子公司合作，生產(chǎn)成熟的E級(jí)、F級(jí)及以上的重型燃?xì)廨啓C(jī)。國(guó)內(nèi)企業(yè)雖然能夠與國(guó)外企業(yè)合作制造出重型燃?xì)廨啓C(jī)，但尚未完全掌握熱端部件的設(shè)計(jì)、材料及制造技術(shù)，其中熱端部件的用材問(wèn)題作為制約國(guó)產(chǎn)重型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的一大難題應(yīng)受到高度關(guān)注。

渦輪葉片用材的發(fā)展及趨勢(shì)

燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作在高溫、易腐蝕和復(fù)雜應(yīng)力下，工作環(huán)境十分惡劣。與航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片相比，燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的材料對(duì)耐久性、抗腐蝕性要求更高，使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片材料不能直接用于燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片。普通的金屬材料很難滿足這些要求，因此，只能通過(guò)高度的合金化，不斷增強(qiáng)合金的高溫綜合性能。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片材料及成形技術(shù)發(fā)展

燃?xì)廨啓C(jī)葉片材料及其成形技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化已有60多年的歷史，如圖1所示。20世紀(jì)40—50年代，渦輪葉片以變形鈷（Co）基和鎳（Ni）基高溫合金為主要用材；50年代中期，隨著真空冶煉技術(shù)的商業(yè)化，開(kāi)始研究鑄造鎳基合金；60年代，精密鑄造技術(shù)成熟，使得復(fù)雜葉片型面及冷卻通道設(shè)計(jì)變?yōu)榭赡?，通過(guò)添加合金元素改善材料的組織結(jié)構(gòu)，提高了鑄造高溫合金的高溫強(qiáng)度，使燃?xì)廨啓C(jī)的入口溫度大幅度提高；70年代，定向凝固柱晶高溫合金開(kāi)始用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片；到了90年代后期，定向凝固柱晶和單晶高溫合金開(kāi)始用于重型燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)葉片。

通過(guò)定向凝固技術(shù)，將渦輪葉片的組織由傳統(tǒng)的等軸晶改進(jìn)為定向柱晶，能夠大大提高渦輪葉片的高溫性能。尤其是單晶葉片，在定向凝固的過(guò)程中消除了葉片晶界，極大地提高了其高溫蠕變性能，且高溫組織穩(wěn)定，綜合性能好。目前，大尺寸單晶空心高溫合金葉片材料及無(wú)余量精密鑄造技術(shù)是重型燃?xì)廨啓C(jī)葉片制造技術(shù)最高水平的標(biāo)志。

近20年來(lái)，為了保持世界領(lǐng)先地位，西方發(fā)達(dá)國(guó)家的政府和業(yè)界制訂和實(shí)施了長(zhǎng)期多層次的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)研究計(jì)劃，以推動(dòng)其產(chǎn)品與產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。例如，美國(guó)投資4億美元發(fā)起先進(jìn)渦輪系統(tǒng)（Advanced Turbine System，ATS）計(jì)劃，歐洲23國(guó)聯(lián)合實(shí)施科技合作（Cooperation in Science &Technology Program，COST）計(jì)劃等。這些計(jì)劃將材料及其成形研究置于重要地位，如COST計(jì)劃中的501項(xiàng)目著重對(duì)高性能材料及其涂層技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子/靜子葉片等熱端部件材料能夠承受更高的溫度。日本近年來(lái)推出的21世紀(jì)高溫材料計(jì)劃（High-Temperature Material 21 Project）為重型燃?xì)廨啓C(jī)用鎳基高溫合金及其成形技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了機(jī)會(huì)。

GE公司、西門(mén)子公司、三菱重工都各自開(kāi)發(fā)出了材料牌號(hào)，并形成了自己的渦輪轉(zhuǎn)子/靜子葉片材料體系，見(jiàn)表1。可以看出，GE公司、西門(mén)子公司在其F級(jí)及以上燃?xì)廨啓C(jī)中普遍采用了單晶葉片和定向柱晶葉片。三菱重工得益于所掌握的先進(jìn)冷卻技術(shù)和熱障涂層技術(shù)，即使在其最先進(jìn)的J級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)上，也沒(méi)有采用單晶葉片，而僅僅采用定向柱晶葉片。

結(jié)合上述發(fā)展歷程來(lái)看，從鍛造合金改為鑄造合金是渦輪葉片選材的一個(gè)明顯趨勢(shì)。一方面，高度的合金化使得高溫合金塑性降低難于鍛壓加工，同時(shí)，氣冷技術(shù)需要的內(nèi)腔形狀復(fù)雜的葉片只有采用鑄造技術(shù)才能做到；另一方面，真空鑄造、精密鑄造、晶粒細(xì)化、定向凝固等鑄造技術(shù)的重大進(jìn)展也為鑄造葉片奠定了基礎(chǔ)。鑄造應(yīng)用新工藝充分進(jìn)行合金化，提高了渦輪葉片的高溫性能。

表1 典型的重型燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片材料

渦輪葉片普遍采用熔模精密鑄造成形技術(shù)。隨著渦輪進(jìn)口溫度、功率的提高，渦輪葉片制造成為一個(gè)世界性難題。相比于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片，燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片由于尺寸更大，對(duì)陶瓷型芯和陶瓷模殼的高溫強(qiáng)度要求更高，葉片的尺寸精度更難以保證，各種組織缺陷和鑄造缺陷的控制難度更大，如定向柱晶葉片和單晶葉片的雜晶、偏晶、再結(jié)晶等缺陷。

燃燒室用材的發(fā)展及趨勢(shì)

從工況看，燃燒室是燃?xì)廨啓C(jī)承受溫度最高的部件，燃燒室材料應(yīng)具有足夠的高溫機(jī)械強(qiáng)度、良好的抗熱疲勞和抗氧化性、較高的高溫高周疲勞強(qiáng)度及蠕變強(qiáng)度。從工藝看，燃燒室材料還需具有非常好的成形性能及焊接性能，焊后熱處理開(kāi)裂的傾向性要小。為了滿足以上工況和工藝要求，燃燒室材料通常采用鎳基高溫合金。近年來(lái)，為進(jìn)一步提高燃?xì)廨啓C(jī)效率，燃燒室選用了合金化程度更高的高溫合金材料，如Haynes230，但其高溫變形抗力大，易產(chǎn)生軋制裂紋，這對(duì)制造設(shè)備和生產(chǎn)工藝都提出了新的要求。

圖2 主要燃燒室用材的持久強(qiáng)度對(duì)比

Hastelloy X從20世紀(jì)60年代開(kāi)始被用作燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室材料，具有較好的抗氧化性能和抗高溫蠕變性能，其成形和焊接性也較好，工作溫度可達(dá)到980℃左右，GE、西門(mén)子、三菱重工等公司都使用過(guò)該材料。隨著燃燒溫度的進(jìn)一步提升，對(duì)燃燒室材料提出了更高的要求——在不降低抗氧化性和抗熱腐蝕性能的前提下具有更好的抗蠕變性能。為此，GE公司的燃?xì)廨啓C(jī)在過(guò)渡段選用了比Hastelloy抗蠕變性能更好的Nimonic 263合金，隨后又在一些機(jī)組中引入了Haynes 188鈷基合金以進(jìn)一步提高抗蠕變性能，該合金中加入14%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）的鎢進(jìn)行固溶強(qiáng)化，使合金具有良好的綜合性能。GE公司在MS7001F和MS9001F火焰筒后段使用了Haynes 188合金，在MS7001H和MS9001H機(jī)組中則采用了鎳基鑄造高溫合金GTD-222以增強(qiáng)抗蠕變性能。此外，IN617合金、Haynes 230合金也被用來(lái)制作燃燒室，Haynes 230在Haynes 188基礎(chǔ)上降低鈷含量、提高鎳含量，并添加了2%的鉬，其抗氧化性能有一定提高，同時(shí)也具有良好的焊接性能。

上述幾種材料的持久性能如圖2所示，Nimonic 263、Haynes 230和Haynes 188的持久性能均優(yōu)于Hastelloy X合金。雖然Nimonic 263合金在短時(shí)有較高的蠕變強(qiáng)度，但在長(zhǎng)時(shí)間蠕變后性能下降比Haynes 230和Haynes 188合金快，Haynes 230和Haynes 188合金在高溫低應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間下的持久強(qiáng)度則比較接近，均優(yōu)于Nimonic 263合金，但從Haynes 230合金在980℃下1000h的抗氧化性能測(cè)試來(lái)看，其抗氧化性要優(yōu)于Haynes 188合金。典型的燃燒室用材見(jiàn)表2。

F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中火焰筒和過(guò)渡段在1400℃以上的高溫下工作，表面必須用熱障涂層進(jìn)行保護(hù)。GE公司的燃?xì)廨啓C(jī)在火焰筒和過(guò)渡段上均制備了0.4～0.6mm的熱障涂層涂層，結(jié)合層為MCrAlY，陶瓷層為YTTRIA氧化鋯，每25μm涂層厚度可降低溫度4～9℃。西門(mén)子公司的E級(jí)、F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室為整體環(huán)形結(jié)構(gòu)，由陶瓷隔熱瓦和金屬隔熱瓦組成環(huán)形空腔以隔離高溫燃?xì)?，其中金屬隔熱瓦上也噴涂了熱障涂層，過(guò)渡段則采用了內(nèi)表面噴涂熱障涂層的IN617合金。

渦輪輪盤(pán)用材的發(fā)展及趨勢(shì)

渦輪輪盤(pán)輪緣長(zhǎng)期工作在550～600℃，而輪盤(pán)中心工作溫度則降至450℃以下。不同部位的溫差造成了輪盤(pán)的徑向熱應(yīng)力非常大。此外，輪盤(pán)外緣榫齒在燃?xì)廨啓C(jī)起停過(guò)程中會(huì)承受較高的低周疲勞載荷作用。故渦輪輪盤(pán)的材料在使用溫度下應(yīng)具有更高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，能夠承載高工作應(yīng)力，具有非常好的抗沖擊性能和耐蠕變性能，特別是變工況載荷下應(yīng)具有良好的抗疲勞性能，而且短時(shí)超溫不會(huì)對(duì)輪盤(pán)材料造成蠕變損傷。為此，除了合金鋼和耐熱鋼，渦輪輪盤(pán)在選材上也應(yīng)考慮選擇具有良好綜合性能的變形高溫合金，如IN 718和IN 706合金。

燃?xì)廨啓C(jī)渦輪輪盤(pán)直徑是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的3～6倍。在質(zhì)量上，相對(duì)于幾百千克的航空發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤(pán)，F(xiàn)級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)輪盤(pán)可達(dá)到10t以上，使得輪盤(pán)在制造上會(huì)遇到諸多問(wèn)題。對(duì)于使用變形高溫合金的大型渦輪輪盤(pán)，其制造的關(guān)鍵技術(shù)在于大尺寸無(wú)偏析鋼錠冶煉技術(shù)和大尺寸輪盤(pán)鍛造技術(shù)。對(duì)于大型高溫合金鋼錠，通常要求進(jìn)行三聯(lián)工藝冶煉，即真空感應(yīng)（VIM）+電渣重熔（ESR）+真空自耗重熔（VAR），以盡可能提高合金的純凈度。此外，鑄錠過(guò)程還需解決鈮（Nb）元素偏析的問(wèn)題。對(duì)于沉淀強(qiáng)化型變形高溫合金，由于大量強(qiáng)化相的析出，鍛造溫度必須控制在γ相溶解溫度以上，而且由于固溶強(qiáng)化元素增多，合金在固溶狀態(tài)的變形抗力也較大，并且為防止晶粒粗化，鍛造溫度不能過(guò)分升高，其范圍非常有限。

GE公司早期的F級(jí)以下的燃?xì)廨啓C(jī)，普遍選用CrMoV低合金鋼做為輪盤(pán)材料。三菱重工、阿爾斯通及西門(mén)子公司為滿足傳統(tǒng)合金鋼或耐熱鋼輪盤(pán)的使用要求，采用增強(qiáng)冷卻技術(shù)對(duì)輪盤(pán)進(jìn)行降溫。阿爾斯通公司的輪盤(pán)材料選用了12CrNiMoV；西門(mén)子公司選用了22CrMoV 和 12CrNiMo；三菱重工公司的F3和F4燃?xì)廨啓C(jī)渦輪進(jìn)口溫度分別達(dá)到1400℃和1427℃，但依然采用10325TG（NiCrMoV合金鋼）作為渦輪第1～4級(jí)輪盤(pán)材料，這得益于該公司的空氣冷卻器（TCA）技術(shù)，并且其第1級(jí)渦輪輪盤(pán)進(jìn)氣側(cè)有NiCr-Cr3C2涂層保護(hù)。

隨著F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)的壓比和出氣溫度的提高，需要在更高溫度下能夠承載高應(yīng)力的輪盤(pán)材料。鎳基變形高溫合金由于具有極佳的蠕變抗力，在高溫下亦有較高的力學(xué)強(qiáng)度，作為輪盤(pán)材料被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和重型燃?xì)廨啓C(jī)中，如A286、Discaloy、Rene 41、Rene 95、Udimet 520、Udimet 720、Waspaloy、IN706、IN718等。

IN706和IN718合金在20世紀(jì)50年代左右開(kāi)發(fā)成功后，一直作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)主選材料。由于IN718材料含5.0%～5.5%的鈮，易于形成雀斑型偏析，受限于冶煉和鑄錠技術(shù)，20世紀(jì)國(guó)際上公認(rèn)其鋼錠尺寸不能超過(guò)500mm。因此，GE公司在20世紀(jì)80年代末采用鈮含量較低的IN706合金作為F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪輪盤(pán)材料，經(jīng)過(guò)VIM+ESR+VAR三聯(lián)工藝冶煉其鋼錠直徑可達(dá)到1000mm，鋼錠質(zhì)量達(dá)到15t，輪盤(pán)鍛件質(zhì)量約10t，直徑達(dá)到2200mm。借鑒IN706的制造經(jīng)驗(yàn)，在20世紀(jì)90年代中后期，GE公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了2000mm級(jí)別的IN718輪盤(pán)鍛件，其所用鋼錠直徑達(dá)到686mm，鋼錠質(zhì)量達(dá)到9t。GE公司在7/9FB、7H/9H燃?xì)廨啓C(jī)中開(kāi)始使用IN718輪盤(pán)，其中9FB燃?xì)廨啓C(jī)使用的輪盤(pán)鋼錠質(zhì)量達(dá)到了15t以上，其直徑超過(guò)了2000mm，是目前有報(bào)

圖3 GE公司9FB燃?xì)廨啓C(jī)大型IN718渦輪輪盤(pán)（后）與航空發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤(pán)（前）對(duì)比

公司 機(jī)組型號(hào) 輪盤(pán)材料7E、9E、 CrMoV 6FA、7FA 、9FA、 IN706 GE 7/9FB、7/9H IN718三菱重工 F3、F4 10325TG（NiCrMoV）阿爾斯通 12CrNiMoV西門(mén)子 22CrMoV&12CrNiMo

表3 各公司燃?xì)廨啓C(jī)渦輪輪盤(pán)用材道的最大的IN718輪盤(pán)，如圖3所示。各公司燃?xì)廨啓C(jī)輪盤(pán)用材情況見(jiàn)表3。

結(jié)束語(yǔ)

燃?xì)廨啓C(jī)是一種先進(jìn)而復(fù)雜的成套動(dòng)力機(jī)械裝備，是典型的高新技術(shù)密集型產(chǎn)品。發(fā)展集新技術(shù)、新材料、新工藝于一身的燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)，是國(guó)家高技術(shù)水平和科技實(shí)力的重要標(biāo)志之一。渦輪葉片、燃燒室、渦輪輪盤(pán)——燃?xì)廨啓C(jī)的三大核心熱端部件的材料及成形技術(shù)難度高，涉及高溫合金、陶瓷材料、冶金、鑄造、鍛造、焊接、熱處理、機(jī)加工、無(wú)損檢測(cè)、性能評(píng)價(jià)等多個(gè)學(xué)科和專業(yè)，周期長(zhǎng)、投資大，須多單位協(xié)同合作，以早日突破熱端部件研制關(guān)鍵技術(shù)，全面實(shí)現(xiàn)重型燃?xì)廨啓C(jī)的國(guó)產(chǎn)化。