燃氣輪機用葉片合金的研究進展

燃氣輪機是一種高效、節(jié)能、低污染的新型動力機械。燃氣輪機具有效率高、功率大、質量輕、尺寸小、啟動快、工程總投資少、運行成本低、可采用多種燃料、不用冷卻或少用水和壽命周期長等優(yōu)點，被廣泛應用于發(fā)電、航空、航天、船艦、坦克、鐵路機車的動力裝置和天然氣輸送、油田注水、供熱、礦井通風等重要領域。其中，葉片材料具有重要作用。
　　燃氣輪機是以空氣為介質，依靠高溫燃氣推動渦輪機械連續(xù)做功的大功率、高性能動力機械。其原理是由壓氣機連續(xù)不斷地從外界大氣中吸入空氣并增壓，壓縮空氣在燃燒室進口被噴入燃料進行摻混，然后點火燃燒。在短短幾十厘米的距離內空氣溫度會上升數百甚至上千度，壓力也會激增。高溫高壓的燃氣從燃燒室出口噴出并開始膨脹，同時推動渦輪葉片做功，其中，用高溫合金制造的渦輪葉片起著關鍵作用。
　　要實現(xiàn)燃氣輪機的大容量、高效率、高性能，提高渦輪前進口溫度是最重要的措施和發(fā)展途徑之一。要提高渦輪前進口溫度和燃機性能，關鍵是提高葉片承溫能力，這與材料承溫能力的提高有關。
　　與航空發(fā)動機相比，燃氣輪機熱鍛零部件的工作環(huán)境要惡劣得多。地面或艦用燃氣輪機大多采用柴油，其中含有硫、鈉等雜質，會造成熱腐蝕對高溫合金部件有較大的破壞作用；艦艇在海中航行，海鹽在空氣中以懸浮顆粒形態(tài)存在。當NaCl粒子隨空氣經過壓氣機進入渦輪，就會使葉片上沉積Na2SO4等熔鹽膜而發(fā)生熱腐蝕反應。地面或艦用燃氣輪機要求壽命長，通常要達到幾萬乃至幾十萬小時；另外，重型燃機葉片尺寸偏大，給其鑄造工藝帶來難度。因此，燃氣輪機葉片用高溫合金要有良好的高溫強度，良好的抗腐蝕性能，長期的組織穩(wěn)定性以及良好的工藝性能。
　　燃氣輪機渦輪葉片主要包括各級渦輪的工作葉片和導向葉片。導向葉片的第一級是渦輪發(fā)動機上受熱沖擊最大的零件之一。目前，用于導向葉片的材料有鈷基合金FSX-414，鎳基合金GDT-222、ECY(768)，還有部分采用鑄造鎳基合金：IN939、IN738、MarM247LC等。為了滿足更高工作溫度要求，正計劃采用N5、DS GTD-222等單晶葉片。
　　迄今為止，歐美諸國及日本已先后開發(fā)出多種燃氣輪機渦輪葉片合金，近年來，我國的材料研究學者及有關專家也不甘落后，先后開發(fā)了幾種燃氣輪機用渦輪葉片合金，見表1。
　　表1  我國研制的幾種燃氣輪機用渦輪葉片合金
　　合金名稱
　　合金特性描述
　　K438合金
　　K438合金是由中科院金屬研究所等科研單位開始研制的，其化學成分類似于美國王牌抗熱腐蝕合金In738。該合金的綜合性能達到了In738合金的同等水平，具有良好的抗熱腐蝕性能、機械性能和工藝性能，組織穩(wěn)定，適用于海上和陸基工業(yè)燃汽輪機。
　　K438G合金
　　K438G合金是為斯貝艦改燃氣渦輪葉片和導向葉片研制的，其抗熱腐蝕性能與美國合金In738相當，而使用溫度可提高20～25℃。
　　K435，K444，K452和GH4413
　　這四種新研制的抗熱腐蝕高溫合金的抗張強度和屈服強度都明顯優(yōu)于K438合金，而塑性則基本相當。
　　G3合金
　　鋼鐵研究總院研制的一種低成本、高性能燃氣輪機用定向凝固合金，通過合金成分的調整，其具有足夠的抗熱腐蝕性能，足夠的γ'數量，Ti/Al比大于1，合金使用溫度提高，合金晶界得到強化，經濟性提高。