重型燃氣輪機熱端部件材料發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

■ 楊功顯 張瓊元 高振桓 鞏秀芳 楊照宏/東方汽輪機有限公司 長壽命高溫材料國家重點實驗室

重型燃氣輪機熱端部件主要包括渦輪葉片、燃燒室和渦輪盤。燃氣輪機的效率和可靠性在很大程度上取決于熱端部件的技術水平。目前，主流的重型燃氣輪機渦輪進口溫度均在1350℃以上，熱端部件的材料幾乎無一例外地均選用高溫合金。高溫合金在整個工作溫度范圍內具有良好的綜合性能，但沒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)過一系列并購、整合，燃氣輪機行業(yè)形成了以美國GE、日本三菱重工、德國西門子等少數(shù)幾家公司控制的局面。國內三大燃氣輪機公司——東方電氣集團、哈爾濱電氣集團和上海電氣集團分別通過與三菱重工、GE公司和西門子公司合作，生產(chǎn)成熟的E級、F級及以上的重型燃氣輪機。國內企業(yè)雖然能夠與國外企業(yè)合作制造出重型燃氣輪機，但尚未完全掌握熱端部件的設計、材料及制造技術，其中熱端部件的用材問題作為制約國產(chǎn)重型燃氣輪機發(fā)展的一大難題應受到高度關注。

渦輪葉片用材的發(fā)展及趨勢

燃氣輪機渦輪葉片長時間連續(xù)工作在高溫、易腐蝕和復雜應力下，工作環(huán)境十分惡劣。與航空發(fā)動機渦輪葉片相比，燃氣輪機渦輪葉片的材料對耐久性、抗腐蝕性要求更高，使得航空發(fā)動機渦輪葉片材料不能直接用于燃氣輪機渦輪葉片。普通的金屬材料很難滿足這些要求，因此，只能通過高度的合金化，不斷增強合金的高溫綜合性能。

圖1 燃氣輪機渦輪葉片材料及成形技術發(fā)展

燃氣輪機葉片材料及其成形技術研究和產(chǎn)業(yè)化已有60多年的歷史，如圖1所示。20世紀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，隨著真空冶煉技術的商業(yè)化，開始研究鑄造鎳基合金；60年代，精密鑄造技術成熟，使得復雜葉片型面及冷卻通道設計變?yōu)榭赡埽ㄟ^添加合金元素改善材料的組織結構，提高了鑄造高溫合金的高溫強度，使燃氣輪機的入口溫度大幅度提高；70年代，定向凝固柱晶高溫合金開始用于航空發(fā)動機葉片；到了90年代后期，定向凝固柱晶和單晶高溫合金開始用于重型燃氣輪機動葉片。

通過定向凝固技術，將渦輪葉片的組織由傳統(tǒng)的等軸晶改進為定向柱晶，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余量精密鑄造技術是重型燃氣輪機葉片制造技術最高水平的標志。

近20年來，為了保持世界領先地位，西方發(fā)達國家的政府和業(yè)界制訂和實施了長期多層次的燃氣輪機技術研究計劃，以推動其產(chǎn)品與產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。例如，美國投資4億美元發(fā)起先進渦輪系統(tǒng)（Advanced Turbine System，ATS）計劃，歐洲23國聯(lián)合實施科技合作（Cooperation in Science &Technology Program，COST）計劃等。這些計劃將材料及其成形研究置于重要地位，如COST計劃中的501項目著重對高性能材料及其涂層技術進行開發(fā)，使燃氣輪機轉子/靜子葉片等熱端部件材料能夠承受更高的溫度。日本近年來推出的21世紀高溫材料計劃（High-Temperature Material 21 Project）為重型燃氣輪機用鎳基高溫合金及其成形技術的進一步發(fā)展提供了機會。

GE公司、西門子公司、三菱重工都各自開發(fā)出了材料牌號，并形成了自己的渦輪轉子/靜子葉片材料體系，見表1。可以看出，GE公司、西門子公司在其F級及以上燃氣輪機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冷卻技術和熱障涂層技術，即使在其最先進的J級燃氣輪機上，也沒有采用單晶葉片，而僅僅采用定向柱晶葉片。

結合上述發(fā)展歷程來看，從鍛造合金改為鑄造合金是渦輪葉片選材的一個明顯趨勢。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，氣冷技術需要的內腔形狀復雜的葉片只有采用鑄造技術才能做到；另一方面，真空鑄造、精密鑄造、晶粒細化、定向凝固等鑄造技術的重大進展也為鑄造葉片奠定了基礎。鑄造應用新工藝充分進行合金化，提高了渦輪葉片的高溫性能。

表1 典型的重型燃氣輪機渦輪葉片材料

渦輪葉片普遍采用熔模精密鑄造成形技術。隨著渦輪進口溫度、功率的提高，渦輪葉片制造成為一個世界性難題。相比于航空發(fā)動機渦輪葉片，燃氣輪機渦輪葉片由于尺寸更大，對陶瓷型芯和陶瓷模殼的高溫強度要求更高，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、再結晶等缺陷。

燃燒室用材的發(fā)展及趨勢

從工況看，燃燒室是燃氣輪機承受溫度最高的部件，燃燒室材料應具有足夠的高溫機械強度、良好的抗熱疲勞和抗氧化性、較高的高溫高周疲勞強度及蠕變強度。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，為進一步提高燃氣輪機效率，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，這對制造設備和生產(chǎn)工藝都提出了新的要求。

圖2 主要燃燒室用材的持久強度對比

Hastelloy X從20世紀60年代開始被用作燃氣輪機的燃燒室材料，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，工作溫度可達到980℃左右，GE、西門子、三菱重工等公司都使用過該材料。隨著燃燒溫度的進一步提升，對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公司的燃氣輪機在過渡段選用了比Hastelloy抗蠕變性能更好的Nimonic 263合金，隨后又在一些機組中引入了Haynes 188鈷基合金以進一步提高抗蠕變性能，該合金中加入14%（質量百分數(shù)）的鎢進行固溶強化，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機組中則采用了鎳基鑄造高溫合金GTD-222以增強抗蠕變性能。此外，IN617合金、Haynes 230合金也被用來制作燃燒室，Haynes 230在Haynes 188基礎上降低鈷含量、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合金在短時有較高的蠕變強度，但在長時間蠕變后性能下降比Haynes 230和Haynes 188合金快，Haynes 230和Haynes 188合金在高溫低應力長時間下的持久強度則比較接近，均優(yōu)于Nimonic 263合金，但從Haynes 230合金在980℃下1000h的抗氧化性能測試來看，其抗氧化性要優(yōu)于Haynes 188合金。典型的燃燒室用材見表2。

F級燃氣輪機燃燒室中火焰筒和過渡段在1400℃以上的高溫下工作，表面必須用熱障涂層進行保護。GE公司的燃氣輪機在火焰筒和過渡段上均制備了0.4～0.6mm的熱障涂層涂層，結合層為MCrAlY，陶瓷層為YTTRIA氧化鋯，每25μm涂層厚度可降低溫度4～9℃。西門子公司的E級、F級燃氣輪機燃燒室為整體環(huán)形結構，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氣，其中金屬隔熱瓦上也噴涂了熱障涂層，過渡段則采用了內表面噴涂熱障涂層的IN617合金。

渦輪輪盤用材的發(fā)展及趨勢

渦輪輪盤輪緣長期工作在550～600℃，而輪盤中心工作溫度則降至450℃以下。不同部位的溫差造成了輪盤的徑向熱應力非常大。此外，輪盤外緣榫齒在燃氣輪機起停過程中會承受較高的低周疲勞載荷作用。故渦輪輪盤的材料在使用溫度下應具有更高的抗拉強度和屈服強度，能夠承載高工作應力，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具有良好的抗疲勞性能，而且短時超溫不會對輪盤材料造成蠕變損傷。為此，除了合金鋼和耐熱鋼，渦輪輪盤在選材上也應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。

燃氣輪機渦輪輪盤直徑是航空發(fā)動機的3～6倍。在質量上，相對于幾百千克的航空發(fā)動機輪盤，F(xiàn)級燃氣輪機輪盤可達到10t以上，使得輪盤在制造上會遇到諸多問題。對于使用變形高溫合金的大型渦輪輪盤，其制造的關鍵技術在于大尺寸無偏析鋼錠冶煉技術和大尺寸輪盤鍛造技術。對于大型高溫合金鋼錠，通常要求進行三聯(lián)工藝冶煉，即真空感應（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，鑄錠過程還需解決鈮（Nb）元素偏析的問題。對于沉淀強化型變形高溫合金，由于大量強化相的析出，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，鍛造溫度不能過分升高，其范圍非常有限。

GE公司早期的F級以下的燃氣輪機，普遍選用CrMoV低合金鋼做為輪盤材料。三菱重工、阿爾斯通及西門子公司為滿足傳統(tǒng)合金鋼或耐熱鋼輪盤的使用要求，采用增強冷卻技術對輪盤進行降溫。阿爾斯通公司的輪盤材料選用了12CrNiMoV；西門子公司選用了22CrMoV 和 12CrNiMo；三菱重工公司的F3和F4燃氣輪機渦輪進口溫度分別達到1400℃和1427℃，但依然采用10325TG（NiCrMoV合金鋼）作為渦輪第1～4級輪盤材料，這得益于該公司的空氣冷卻器（TCA）技術，并且其第1級渦輪輪盤進氣側有NiCr-Cr3C2涂層保護。

隨著F級燃氣輪機壓氣機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力的輪盤材料。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強度，作為輪盤材料被廣泛應用于航空發(fā)動機和重型燃氣輪機中，如A286、Discaloy、Rene 41、Rene 95、Udimet 520、Udimet 720、Waspaloy、IN706、IN718等。

IN706和IN718合金在20世紀50年代左右開發(fā)成功后，一直作為航空發(fā)動機渦輪盤主選材料。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，20世紀國際上公認其鋼錠尺寸不能超過500mm。因此，GE公司在20世紀80年代末采用鈮含量較低的IN706合金作為F級燃氣輪機的渦輪輪盤材料，經(jīng)過VIM+ESR+VAR三聯(lián)工藝冶煉其鋼錠直徑可達到1000mm，鋼錠質量達到15t，輪盤鍛件質量約10t，直徑達到2200mm。借鑒IN706的制造經(jīng)驗，在20世紀90年代中后期，GE公司已經(jīng)開發(fā)出了2000mm級別的IN718輪盤鍛件，其所用鋼錠直徑達到686mm，鋼錠質量達到9t。GE公司在7/9FB、7H/9H燃氣輪機中開始使用IN718輪盤，其中9FB燃氣輪機使用的輪盤鋼錠質量達到了15t以上，其直徑超過了2000mm，是目前有報

圖3 GE公司9FB燃氣輪機大型IN718渦輪輪盤（后）與航空發(fā)動機輪盤（前）對比

公司 機組型號 輪盤材料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西門子 22CrMoV&12CrNiMo

表3 各公司燃氣輪機渦輪輪盤用材道的最大的IN718輪盤，如圖3所示。各公司燃氣輪機輪盤用材情況見表3。

結束語

燃氣輪機是一種先進而復雜的成套動力機械裝備，是典型的高新技術密集型產(chǎn)品。發(fā)展集新技術、新材料、新工藝于一身的燃氣輪機產(chǎn)業(yè)，是國家高技術水平和科技實力的重要標志之一。渦輪葉片、燃燒室、渦輪輪盤——燃氣輪機的三大核心熱端部件的材料及成形技術難度高，涉及高溫合金、陶瓷材料、冶金、鑄造、鍛造、焊接、熱處理、機加工、無損檢測、性能評價等多個學科和專業(yè)，周期長、投資大，須多單位協(xié)同合作，以早日突破熱端部件研制關鍵技術，全面實現(xiàn)重型燃氣輪機的國產(chǎn)化。