2023年用于先進(jìn)的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)IGT的鎳基高溫合金材料技術(shù)

第用于先進(jìn)的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)(IGT)的鎳基高溫合金材料技術(shù)

用于先進(jìn)的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)(IGT)的鎳基高溫合金材料技術(shù)

用于先進(jìn)的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)(IGT）的鎳基高溫合金材料技術(shù)

StephenJ.Balsone

GEGasTurbines,LLC

P.O.Box648;Greenville,SC29602-0648,USA

關(guān)鍵詞：鎳基，高溫合金，燃?xì)廨啓C(jī)，熔模鑄造，鋼錠熔煉，鍛造

摘要：工業(yè)發(fā)電和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的所有燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒溫度在過(guò)去的三十年里有所提高。最近，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度提高速率已經(jīng)變慢，但工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)（IGT）的溫度提高速率并未變慢。因此，這兩類(lèi)燃?xì)廨啓C(jī)的材料溫度性能要求有所重合。多年來(lái)，軍用和商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高性能要求推動(dòng)了先進(jìn)材料和工藝的發(fā)展。由于功率、效率和可靠性的要求持續(xù)提高，目前許多這一類(lèi)的高溫材料正用于IGT。已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功定向凝固和單晶鎳基高溫合金用于熔模鑄造的高溫燃?xì)馔ǖ啦考?，并將尺寸增大到IGT部件所需的零件尺寸，但是在可生產(chǎn)性、缺陷公差和維修等方面仍然存在重大挑戰(zhàn)。在鋼錠熔煉、澆鑄、鍛造和檢驗(yàn)方面取得重大進(jìn)展后，變形鎳基高溫合金，例如706合金和718合金，正用于IGT轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中。本文將討論鎳基高溫合金在IGT中的應(yīng)用，特別強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)大型IGT高溫燃?xì)馔ǖ兰稗D(zhuǎn)子部件所需的技術(shù)發(fā)展。從航空發(fā)動(dòng)機(jī)大小的零部件擴(kuò)大到大型IGT尺寸的零部件的過(guò)程，引起了獨(dú)特的材料發(fā)展和工藝挑戰(zhàn)。

1引言

自從二十世紀(jì)七十年代初以來(lái)，為電站生產(chǎn)的大型、陸地的IGT的功率和效率都持續(xù)提高。這種提高很大部分歸功于高溫結(jié)構(gòu)材料的引入。在過(guò)去的30年里，這類(lèi)先進(jìn)材料的使用導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒溫度從982℃（1800℉）提高到1427℃（2600℉）以上。燃燒溫度每增加10℃（50℉）,燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)的效率提高大約1％。效率提高1％，對(duì)一個(gè)打算以最低成本給用戶輸送電力的電站生產(chǎn)商而言，意味著節(jié)約了數(shù)百萬(wàn)美元。

鎳基高溫合金是為高溫、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)應(yīng)用而選擇的合金，已經(jīng)形成供IGT高溫燃?xì)馔ǖ啦考鐪u輪葉片、噴嘴和殼體的標(biāo)準(zhǔn)。許多這一類(lèi)熔模鑄造鎳基高溫合金來(lái)自于為商用和軍用航空燃?xì)廨啓C(jī)而開(kāi)發(fā)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)合金。此外，高強(qiáng)度變形鎳基高溫合金，例如706合金和718合金，已經(jīng)取代GEIGT轉(zhuǎn)子中應(yīng)用的合金鋼。二十世紀(jì)80年代后期，706合金作為IGT鎳基高溫合金鍛件首先得到生產(chǎn)應(yīng)用。1995年引入第一個(gè)718合金的IGT鍛件。

除了熔模鑄造和變形高溫合金之外，為IGT應(yīng)用的其它高溫材料也處于生產(chǎn)或正在開(kāi)

用于先進(jìn)的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)(IGT)的鎳基高溫合金材料技術(shù)

發(fā)的階段。高溫涂層，例如抗氧化和抗腐蝕的金屬涂層，以及熱防護(hù)的陶瓷涂層，正在形成用于高溫燃?xì)馔ǖ篮腿紵医饘贅?gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)。陶瓷基體復(fù)合材料正在開(kāi)發(fā)應(yīng)用于一些高溫部件，例如渦輪殼體、燃燒室襯里和渦輪噴嘴。本文將集中介紹為先進(jìn)的IGT應(yīng)用而開(kāi)發(fā)和引入的鎳基高溫合金技術(shù)。

2鎳基高溫合金材料及工藝的最新進(jìn)展

2.1葉翼應(yīng)用

過(guò)去幾十年里，GE公司先進(jìn)的葉翼合金的開(kāi)發(fā)是從多晶的鎳基高溫合金，如U500、U700和738合金發(fā)展，然后再是定向凝固的（DS）GTD－111TM。GE公司正在生產(chǎn)使用的最先進(jìn)的DS鎳基高溫合金是GTD-444TM,它是用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的單晶（Sx）Rene’N4合金的DS改型。圖1顯示了IGT葉翼合金的發(fā)展示意圖，標(biāo)注的使用溫度是首次引入時(shí)的結(jié)果。注意圖1顯示了先進(jìn)的IGT葉翼合金兩種發(fā)展途徑。一種途徑是按照鑄造鎳基高溫合金的發(fā)展，對(duì)于后級(jí)葉片的應(yīng)用需要簡(jiǎn)單冷卻或無(wú)內(nèi)部冷卻。第二種途徑顯示了SxRene’N5的引入。該合金是為航空發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的第二代（含錸）單晶鎳基高溫合金。在GE最先進(jìn)的IGT中，Rene’N5已經(jīng)為IGT用作有復(fù)雜內(nèi)部冷卻設(shè)計(jì)的第一級(jí)葉片以及第一級(jí)噴嘴和殼體。表1列出了這些重要的IGT熔模鑄造鎳基高溫合金的合金成分。

圖1IGT葉片合金的演變顯示溫度性能的提高

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表1.IGT鑄造鎳基高溫合金的化學(xué)成分

2.2DSC(定向凝固)和Sx（單晶）合金

目前IGT使用中的熔模鑄造鎳基高溫合金主要來(lái)自能滿足商用和軍用航空燃?xì)廨啓C(jī)迫切需要的高性能要求而開(kāi)發(fā)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)合金。然而，對(duì)于引入這些用于IGT高溫燃?xì)馔ǖ纼?nèi)部的航空發(fā)動(dòng)機(jī)合金提出了重點(diǎn)的開(kāi)發(fā)性挑戰(zhàn)。圖2為GEF級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)第一級(jí)渦輪葉片與一個(gè)典型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片進(jìn)行的比較。這個(gè)第一級(jí)渦輪葉片是由GTD－111TM制成的定向凝固（DS）鎳基高溫合金葉片。該合金由Rene’80演變而來(lái)，是專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)用來(lái)滿足IGT長(zhǎng)壽命運(yùn)行的性能要求的合金。這個(gè)第一級(jí)葉片與航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片相比，零件尺寸增加10倍以上，零件重量增加20倍以上。這類(lèi)DS鎳基高溫合金葉片的長(zhǎng)度達(dá)到76cm（30in），重量達(dá)到18kg（40lb）。在最先進(jìn)的IGT中，它們被設(shè)計(jì)制造成具有復(fù)雜內(nèi)部盤(pán)旋結(jié)構(gòu)的冷卻通道。它們?cè)谥圃鞎r(shí)有非常嚴(yán)格的尺寸公差，檢驗(yàn)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)目前已經(jīng)接近航空發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。

圖2IGT第一級(jí)渦輪葉片同典型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的尺寸比較

關(guān)鍵工藝技術(shù)的開(kāi)發(fā)需要擴(kuò)大到用于IGT的鎳基高溫合金的熔模鑄造。DS和單晶(Sx)熔模鑄造爐應(yīng)擴(kuò)大到能生產(chǎn)IGT葉片的尺寸和重量。模具材料和模具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)要求在DS和Sx澆鑄拉晶工藝過(guò)程中能保持大量的熔融金屬。為了減小型芯變形和滿足嚴(yán)格的尺寸公

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差,陶瓷型芯經(jīng)過(guò)改進(jìn)提高了高溫強(qiáng)度。當(dāng)鎳基高溫合金從航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用到適應(yīng)于IGT應(yīng)用時(shí),對(duì)于合金的選擇和化學(xué)成份的調(diào)整這些工藝考慮也是重要的。合金化學(xué)成份的調(diào)整可以防止在大型IGT零件中形成與熔煉有關(guān)的缺陷,例如黑斑、疏松和熱裂紋。此外，通過(guò)調(diào)整微量的合金元素能夠控制晶界強(qiáng)度。為了改善大尺寸鑄件的合金可鑄性和提高鑄件收得率而進(jìn)行的合金化學(xué)成份變化，必須與堅(jiān)固的、長(zhǎng)壽命服役的IGT金屬構(gòu)件所要求的合金力學(xué)性能和抗環(huán)境介質(zhì)性能相平衡。這些材料和工藝技術(shù)的開(kāi)發(fā)與GE的熔模鑄造戰(zhàn)略供應(yīng)商共同合作實(shí)施。圖3顯示GEH級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)第三級(jí)和第四級(jí)由DSGTD-444TM鎳基高溫合金制成的渦輪葉片。DSGTD-444TM合金的開(kāi)發(fā)是將一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)合金轉(zhuǎn)變?yōu)镮GT應(yīng)用的合金改進(jìn)的好例子。DSGTD-444TM是第一代Sx鎳基高溫合金Rene’N4的一種定向凝固的改型，當(dāng)設(shè)計(jì)要求超過(guò)DSGTD-111TM的材料性能時(shí)，選擇了SxRene’N