燃氣輪機用葉片合金的研究進(jìn)展

  燃氣輪機是一種高效、節能、低污染的新型動(dòng)力機械。燃氣輪機具有效率高、功率大、質(zhì)量輕、尺寸小、啟動(dòng)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(cháng)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應用于發(fā)電、航空、航天、船艦、坦克、鐵路機車(chē)的動(dòng)力裝置和天然氣輸送、油田注水、供熱、礦井通風(fēng)等重要領(lǐng)域。其中,葉片材料具有重要作用。

  燃氣輪機是以空氣為介質(zhì),依靠高溫燃氣推動(dòng)渦輪機械連續做功的大功率、高性能動(dòng)力機械。其原理是由壓氣機連續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(jìn)口被噴入燃料進(jìn)行摻混,然后點(diǎn)火燃燒。在短短幾十厘米的距離內空氣溫度會(huì )上升數百甚至上千度,壓力也會(huì )激增。高溫高壓的燃氣從燃燒室出口噴出并開(kāi)始膨脹,同時(shí)推動(dòng)渦輪葉片做功,其中,用高溫合金制造的渦輪葉片起著(zhù)關(guān)鍵作用。

  要實(shí)現燃氣輪機的大容量、高效率、高性能,提高渦輪前進(jìn)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(jìn)口溫度和燃機性能,關(guān)鍵是提高葉片承溫能力,這與材料承溫能力的提高有關(guān)。

  與航空發(fā)動(dòng)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(zhì),會(huì )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(jīng)過(guò)壓氣機進(jìn)入渦輪,就會(huì )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(cháng),通常要達到幾萬(wàn)乃至幾十萬(wàn)小時(shí);另外,重型燃機葉片尺寸偏大,給其鑄造工藝帶來(lái)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(cháng)期的組織穩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(dòng)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(mǎn)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(kāi)發(fā)出多種燃氣輪機渦輪葉片合金,近年來(lái),我國的材料研究學(xué)者及有關(guān)專(zhuān)家也不甘落后,先后開(kāi)發(fā)了幾種燃氣輪機用渦輪葉片合金。