2023年用于先進的工業(yè)燃氣輪機IGT的鎳基高溫合金材料技術

第用于先進的工業(yè)燃氣輪機(IGT)的鎳基高溫合金材料技術

用于先進的工業(yè)燃氣輪機(IGT)的鎳基高溫合金材料技術

用于先進的工業(yè)燃氣輪機(IGT）的鎳基高溫合金材料技術

StephenJ.Balsone

GEGasTurbines,LLC

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

關鍵詞：鎳基，高溫合金，燃氣輪機，熔模鑄造，鋼錠熔煉，鍛造

摘要：工業(yè)發(fā)電和航空發(fā)動機的所有燃氣輪機的燃燒溫度在過去的三十年里有所提高。最近，航空發(fā)動機的溫度提高速率已經變慢，但工業(yè)燃氣輪機（IGT）的溫度提高速率并未變慢。因此，這兩類燃氣輪機的材料溫度性能要求有所重合。多年來，軍用和商用航空發(fā)動機的高性能要求推動了先進材料和工藝的發(fā)展。由于功率、效率和可靠性的要求持續(xù)提高，目前許多這一類的高溫材料正用于IGT。已經開發(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氣通道部件，并將尺寸增大到IGT部件所需的零件尺寸，但是在可生產性、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、鍛造和檢驗方面取得重大進展后，變形鎳基高溫合金，例如706合金和718合金，正用于IGT轉子結構中。本文將討論鎳基高溫合金在IGT中的應用，特別強調生產大型IGT高溫燃氣通道及轉子部件所需的技術發(fā)展。從航空發(fā)動機大小的零部件擴大到大型IGT尺寸的零部件的過程，引起了獨特的材料發(fā)展和工藝挑戰(zhàn)。

1引言

自從二十世紀七十年代初以來，為電站生產的大型、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構材料的引入。在過去的30年里，這類先進材料的使用導致燃氣輪機的燃燒溫度從982℃（1800℉）提高到1427℃（2600℉）以上。燃燒溫度每增加10℃（50℉）,燃氣輪機聯合循環(huán)的效率提高大約1％。效率提高1％，對一個打算以最低成本給用戶輸送電力的電站生產商而言，意味著節(jié)約了數百萬美元。

鎳基高溫合金是為高溫、高強度結構應用而選擇的合金，已經形成供IGT高溫燃氣通道部件，如渦輪葉片、噴嘴和殼體的標準。許多這一類熔模鑄造鎳基高溫合金來自于為商用和軍用航空燃氣輪機而開發(fā)的航空發(fā)動機合金。此外，高強度變形鎳基高溫合金，例如706合金和718合金，已經取代GEIGT轉子中應用的合金鋼。二十世紀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應用。1995年引入第一個718合金的IGT鍛件。

除了熔模鑄造和變形高溫合金之外，為IGT應用的其它高溫材料也處于生產或正在開

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發(fā)的階段。高溫涂層，例如抗氧化和抗腐蝕的金屬涂層，以及熱防護的陶瓷涂層，正在形成用于高溫燃氣通道和燃燒室金屬構件的標準。陶瓷基體復合材料正在開發(fā)應用于一些高溫部件，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的IGT應用而開發(fā)和引入的鎳基高溫合金技術。

2鎳基高溫合金材料及工藝的最新進展

2.1葉翼應用

過去幾十年里，GE公司先進的葉翼合金的開發(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公司正在生產使用的最先進的DS鎳基高溫合金是GTD-444TM,它是用于航空發(fā)動機的單晶（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，標注的使用溫度是首次引入時的結果。注意圖1顯示了先進的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，對于后級葉片的應用需要簡單冷卻或無內部冷卻。第二種途徑顯示了SxRene’N5的引入。該合金是為航空發(fā)動機開發(fā)的第二代（含錸）單晶鎳基高溫合金。在GE最先進的IGT中，Rene’N5已經為IGT用作有復雜內部冷卻設計的第一級葉片以及第一級噴嘴和殼體。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自能滿足商用和軍用航空燃氣輪機迫切需要的高性能要求而開發(fā)的航空發(fā)動機合金。然而，對于引入這些用于IGT高溫燃氣通道內部的航空發(fā)動機合金提出了重點的開發(fā)性挑戰(zhàn)。圖2為GEF級燃氣輪機第一級渦輪葉片與一個典型的航空發(fā)動機渦輪葉片進行的比較。這個第一級渦輪葉片是由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，是專門開發(fā)用來滿足IGT長壽命運行的性能要求的合金。這個第一級葉片與航空發(fā)動機葉片相比，零件尺寸增加10倍以上，零件重量增加20倍以上。這類DS鎳基高溫合金葉片的長度達到76cm（30in），重量達到18kg（40lb）。在最先進的IGT中，它們被設計制造成具有復雜內部盤旋結構的冷卻通道。它們在制造時有非常嚴格的尺寸公差，檢驗和驗收標準目前已經接近航空發(fā)動機的要求。

圖2IGT第一級渦輪葉片同典型的航空發(fā)動機渦輪葉片的尺寸比較

關鍵工藝技術的開發(fā)需要擴大到用于IGT的鎳基高溫合金的熔模鑄造。DS和單晶(Sx)熔模鑄造爐應擴大到能生產IGT葉片的尺寸和重量。模具材料和模具結構的改進要求在DS和Sx澆鑄拉晶工藝過程中能保持大量的熔融金屬。為了減小型芯變形和滿足嚴格的尺寸公

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差,陶瓷型芯經過改進提高了高溫強度。當鎳基高溫合金從航空發(fā)動機應用到適應于IGT應用時,對于合金的選擇和化學成份的調整這些工藝考慮也是重要的。合金化學成份的調整可以防止在大型IGT零件中形成與熔煉有關的缺陷,例如黑斑、疏松和熱裂紋。此外，通過調整微量的合金元素能夠控制晶界強度。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行的合金化學成份變化，必須與堅固的、長壽命服役的IGT金屬構件所要求的合金力學性能和抗環(huán)境介質性能相平衡。這些材料和工藝技術的開發(fā)與GE的熔模鑄造戰(zhàn)略供應商共同合作實施。圖3顯示GEH級燃氣輪機第三級和第四級由DSGTD-444TM鎳基高溫合金制成的渦輪葉片。DSGTD-444TM合金的開發(fā)是將一種航空發(fā)動機合金轉變?yōu)镮GT應用的合金改進的好例子。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，當設計要求超過DSGTD-111TM的材料性能時，選擇了SxRene’N