重型燃氣輪機定向結(jié)晶葉片的材料與制造工藝

張 健，樓瑯洪，李 輝

(中國科學院金屬研究所，遼寧沈陽110016)

1 前 言

燃氣輪機包括各類航空航天噴氣發(fā)動機、發(fā)電和驅(qū)動燃氣輪機、艦船動力燃氣輪機以及各種微型燃氣輪機。目前，由燃氣輪機和蒸汽輪機組成的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)，是人類掌握的熱-功轉(zhuǎn)換效率最高的大規(guī)模商業(yè)化發(fā)電方式[1]。近年來，全世界每年增長的發(fā)電容量中，大約有36%為燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組提供[2]，燃氣輪機的功率和效率仍在不斷提高。

目前，燃煤發(fā)電在我國火力發(fā)電工業(yè)中仍占絕對主導地位，燃氣輪機發(fā)電主要用于調(diào)峰，占總發(fā)電量的比例很小。僅從環(huán)保角度看，煤電的污染排放(SO2、NOx)已經(jīng)成為電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。基于燃氣輪機在我國潔凈能源可持續(xù)發(fā)展中的重要性和其廣闊的市場前景，重型燃氣輪機已經(jīng)被列入國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要中能源領(lǐng)域優(yōu)先發(fā)展的主題——煤的清潔高效開發(fā)利用、液化及多聯(lián)產(chǎn)的研究內(nèi)容之中。未來我國將大力發(fā)展燃氣輪機產(chǎn)業(yè)，預計到2020年，將建成裝機容量約為6萬MW的燃氣輪機電站[2-3]。

按照燃氣初溫，可將重型燃氣輪機分為3類[1]:①E級和F級，相關(guān)技術(shù)成熟并已經(jīng)大規(guī)模商業(yè)化應用，燃氣輪機的燃氣初溫分別為～1 150℃和～1 350℃;②G級和H級，相關(guān)技術(shù)正在開始走向市場，燃氣初溫達到1 450-1 500℃;③燃氣初溫更高的未來型燃氣輪機，燃氣初溫高達1 500-1 700℃，目前正在處于研發(fā)狀態(tài)，預計在2020年左右會進入市場。

重型燃氣輪機的核心技術(shù)，主要掌握在幾家國外公司手中。美國GE、德國Siemens、法國Alstom和日本MHI等公司經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了燃氣輪機系列產(chǎn)品。盡管近年來國內(nèi)引進了E級和F級燃氣輪機的部分制造技術(shù)，在重型燃氣輪機的國產(chǎn)化進程中取得了長足進步，但是重型燃氣輪機的設(shè)計技術(shù)、控制技術(shù)、燃燒技術(shù)和熱端部件制造技術(shù)等幾項核心技術(shù)始終掌握在上述幾家國外公司手中。顯然，面對我國龐大的燃氣輪機市場需求，以及燃氣輪機在我國未來能源結(jié)構(gòu)中的重要地位，開展重型燃氣輪機核心技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，對我國有著極為重要的戰(zhàn)略意義。

重型燃氣輪機中使用的關(guān)鍵熱端部件——一、二級大型導向和渦輪葉片，基本采用定向柱晶或單晶高溫合金，通過定向凝固技術(shù)制造。國外相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟，大型定向和單晶葉片穩(wěn)定批產(chǎn)，國內(nèi)目前尚無制造能力，而相關(guān)材料和技術(shù)與先進航空發(fā)動機葉片密切相關(guān)，國外對中國實行嚴格的技術(shù)封鎖和價格壟斷。因此，重型燃氣輪機定向結(jié)晶葉片的材料與制造技術(shù)，目前已成為我國自主發(fā)展先進燃機裝備業(yè)的瓶頸。

2 重型燃氣輪機渦輪葉片的特點

重型燃氣輪機使用的燃料主要是天然氣和燃油，近年來發(fā)展的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC)技術(shù)，還將煤氣化合成氣作為燃料。重型燃機的工作環(huán)境和特點與航空發(fā)動機截然不同，這也對重型燃機熱端渦輪葉片使用的材料及其制造技術(shù)提出了不同的要求。表1簡單對比了兩種葉片的典型特征[4]。圖1是兩種定向結(jié)晶葉片——GE公司 F級燃氣輪機高壓一級渦輪葉片與典型航空發(fā)動機渦輪葉片的照片[5]。首先，重型燃氣輪機的葉片尺寸和質(zhì)量遠大于航空發(fā)動機葉片，與典型航空發(fā)動機長30～150 mm、質(zhì)量100～200 g重的葉片相比，重型燃氣輪機定向結(jié)晶葉片的長度可達910 mm，質(zhì)量達到18kg[6];第二，重型燃氣輪機葉片的運行時間和狀態(tài)與航空發(fā)動機葉片不同。重型燃機葉片主要在穩(wěn)態(tài)工作，葉片大修周期長達24 000～40 000 EOH(等效運行小時)，總壽命長達6～8萬EOH[1，7]。航空發(fā)動機葉片的峰值工作時間短，溫度高于燃機葉片，但其巡航工作溫度又低于燃氣輪機葉片的穩(wěn)定工作溫度;第三，與航空發(fā)動機使用的潔凈燃料比較，重型燃氣輪機使用的燃料種類多，一般含有會對高溫合金材料造成熱腐蝕損傷的V，S等元素。因此，重燃葉片在保證高強度的同時，必須使用抗熱腐蝕的高溫合金材料。航空發(fā)動機使用的高溫合金材料通常具有優(yōu)異的抗氧化性能(圖2a)，但在熱腐蝕環(huán)境中短時間內(nèi)就會發(fā)生嚴重損傷(圖2b)。與航空發(fā)動機葉片相似，先進燃氣輪機使用的渦輪葉片也具有復雜的冷卻結(jié)構(gòu)[7-8]，采用定向(DS)或單晶(SC)高溫合金、表面使用熱障涂層(Thermal Barrier Coating，TBC)。典型重型燃氣輪機葉片及涂層的使用情況見表 2[9]。

表1 航空發(fā)動機葉片與重型燃氣輪機葉片的比較Table 1 Comparison of turbine blades used in industrial gas turbines(IGT)and aero engines

圖3簡單總結(jié)了GE公司燃氣輪機熱端葉片材料、冷卻方式和工作溫度的發(fā)展歷程[10]。可以看出，在20世紀70年代之前，燃氣輪機燃燒溫度的提升，完全依賴于高溫合金葉片材料本身的承溫能力，隨后冷卻技術(shù)的發(fā)展使燃氣輪機的燃燒溫度不斷提高，材料的工作溫度也隨之提高到850℃以上，這不僅要求材料具有優(yōu)異的高溫力學性能，也對材料的抗熱腐蝕性能提出了更苛刻的要求。20世紀80年代以來，燃氣輪機開始使用具有復雜冷卻結(jié)構(gòu)的定向結(jié)晶葉片，冷卻效率顯著提高，燃機的燃燒溫度也因此明顯提升。

表2 燃氣輪機渦輪葉片材料和涂層的使用情況Table 2 Materials and coatings for blades and vanes of heavy duty industrial gas turbine

圖3 GE公司燃氣輪機熱端葉片材料、冷卻方式和工作溫度的發(fā)展歷程圖Fig.3 Development course of bucket material，cooling method，working temperature of gas turbine fabricated by GE company

3 重型燃氣輪機葉片使用的高溫合金材料

與航空發(fā)動機渦輪葉片使用的高溫合金材料的發(fā)展歷程相似，國外燃氣輪機葉片使用的抗熱腐蝕高溫合金材料也經(jīng)歷了從傳統(tǒng)等軸晶(CC)鑄造合金，到定向柱晶和單晶合金的發(fā)展(圖 4[11])。

圖4 國外航空發(fā)動機和燃氣輪機用高溫合金的發(fā)展歷程圖Fig.4 Progress in aero and industrial gas turbine blade materials at abroad

燃氣輪機葉片用高溫合金必須兼顧材料的抗熱腐蝕性能、高溫強度、組織穩(wěn)定性以及鑄造工藝性能，表3列出了國外典型抗熱腐蝕高溫合金的主要成分?？梢钥闯?，燃氣輪機用高溫合金的成分主要有以下幾個特點:①合金中的Cr含量一般大于12%(質(zhì)量分數(shù)，下同)。較高的Cr含量可以保證在熱腐蝕環(huán)境中，合金表面能夠形成基本連續(xù)的Cr2O3保護膜。但Cr是高溫合金中的有害相-TCP相的形成元素，它作為固溶強化元素，在鎳基高溫合金中的強化效果也不如W，Mo，Ta等，因此抗熱腐蝕高溫合金中的Cr含量必須控制在合理的水平，以免影響合金的組織穩(wěn)定性和力學性能;②合金從多晶發(fā)展到定向和單晶，合金中Ta元素的含量逐漸增加。隨著燃氣輪機葉片工作溫度的提高，對抗熱腐蝕高溫合金高溫強度的要求不斷提升，Ta作為重要的強化元素，在抗熱腐蝕合金中的含量也逐漸增加。除了有效提高合金的高溫強度外，由于Ta在枝晶間偏析，它還可以通過調(diào)整定向凝固中糊狀區(qū)枝晶間液體的密度，降低鑄件中雀斑等缺陷的形成傾向[16-17]。一般認為Ta對高溫合金的抗氧化性能也有一定的改善[18-21]。最近的研究還發(fā)現(xiàn)，Ta對提高合金抗氧化性能的貢獻有限，但可以顯著提高合金的抗熱腐蝕性能[22-23];③合金中Mo元素含量較低。Mo是高溫合金中有效的固溶強化元素，但由于其在熱腐蝕環(huán)境中容易引起酸性熔融反應，產(chǎn)生嚴重的熱腐蝕[12，24]，因此，在燃氣輪機用抗熱腐蝕高溫合金中，Mo的含量一般較低;④合金中Ti、Al兩種元素的總量基本維持在7% ～8%的水平，但Ti含在鎳基高溫合金中的強化效果也不如W，Mo，Ta等，因此抗熱腐蝕高溫合金中的Cr含量必須控制在合理的量一般高于Al含量。Ti和Al是主要的γ'相形成元素，兩種元素的總量維持在7%～8%的水平可以充分保證合金中γ'相的體積分數(shù)，從而保證合金的沉淀強化效果。由于Ti可能會與S反應形成穩(wěn)定的固態(tài)硫化物，延緩金屬-金屬硫化物液態(tài)共晶的形成，從而延緩熱腐蝕反應進程[13]，改善合金的抗熱腐蝕性能。因此，抗熱腐蝕合金中的Ti含量一般較高。但合金中Ti含量增加，會顯著提高定向合金的熱裂傾向[25-26]，因此必須合理控制合金中的Ti/Al比;⑤抗熱腐蝕高溫合金中一般不含Re，Ru等貴金屬元素。Re和Ru是航空發(fā)動機用先進定向和單晶高溫合金中的重要強化元素，可以顯著提升合金的高溫強度。隨單晶高溫合金承溫能力的不斷提高，合金中的Re，Ru元素的含量也在不斷增加，第4代單晶合金中兩種元素的含量已經(jīng)分別達到6%和3%左右。但是，兩種元素的價格昂貴，資源稀缺，考慮燃氣輪機的制造成本，目前大規(guī)模商業(yè)化的重型燃氣輪機使用的葉片材料，以及國外正在研制的高強抗熱腐蝕單晶高溫合金中均不含Re和Ru。正在推向市場的G/H級燃氣輪機中，僅有美國GE公司使用了含3%Re元素的第2代單晶高溫合金;⑥單晶合金中一般含有微量的C，B，Hf等元素。由于重型燃氣輪機的葉片尺寸很大，在定向凝固中更容易出現(xiàn)小角度晶界等缺陷，因此近年來傳統(tǒng)的晶界強化元素C和B被重新添加到抗熱腐蝕單晶合金中，以提高合金對小角度晶界等缺陷的容限[21，27]。例如，當小角度晶界超過 10°時，PWA1483單晶合金的橫向持久性能會顯著降低，但含微量C，B，Hf的合金中，即使晶界角度高達25°，合金的持久性能仍然沒有明顯的降低(橫向持久樣品的應力軸為＜100＞方向)[27]。

表3 國外典型鎳基抗熱腐蝕高溫合金的主要成分(質(zhì)量百分數(shù))Table 3 Compositions(mass percent)of typical hot corrosion resistant Ni-based superalloys at abroad

在我國，中國科學院金屬研究所最早開展了抗熱腐蝕高溫合金的研發(fā)工作，研制了我國第1個抗熱腐蝕高溫合金K438。近年來，鋼鐵研究總院等單位也開始針對重型燃氣輪機用抗熱腐蝕定向合金的研制工作[28]。

圖5為中科院金屬所研制的部分燃氣輪機葉片用抗熱腐蝕高溫合金材料持久性能與典型國外同類合金的比較。從早期的仿制合金K438(等軸晶)開始，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，合金的強度水平不斷提高，正在逐步形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的燃氣輪機用抗熱腐蝕高溫合金體系，例如多晶合金K444、K452，定向合金DZ38G、DZ411，單晶合金DD8、DD10等。其中抗熱腐蝕定向合金DZ411和單晶合金DD10與國外重燃機廣泛使用的定向合金DS-GDT111和單晶合金PWA1483的持久性能水平基本相當[27-31](圖6)。圖7為兩種合金的涂鹽熱腐蝕實驗結(jié)果[32]，可以看出，兩種合金的抗熱腐蝕性能與著名的抗熱腐蝕合金K438基本相當。900℃燃氣熱腐蝕實驗也得到了類似的結(jié)果。

圖7 DZ411(a)和DD10(b)合金950℃熱腐蝕實驗曲線。實驗采用涂鹽法(80%Na2SO4+20%K2SO4飽和溶液)，涂鹽量為～2 mg/cm2Fig.7 Results of hot corrosion testing at 950 ℃ for DZ411(a)and DD10(b)(Specimens were sprayed with 80%Na2SO4+20%K2SO4saturated solution and was coated with～2 mg/cm2salt)

對DZ411合金的組織穩(wěn)定性研究表明，合金經(jīng)900℃，24 000 h長期時效后，組織穩(wěn)定，無TCP相析出。圖8是DZ411合金熱處理態(tài)，900℃，12 000 h和900℃，24 000 h長期時效后的顯微組織比較。隨時效時間延長，合金中的γ'相立方度降低，并逐漸長大，特別是晶界位置析出了大塊、連續(xù)的γ'相[33]。利用掃描電鏡的背散射電子衍射(EBSD)分析發(fā)現(xiàn)，900℃，24 000 h長期時效后，合金中的γ'相會沿[011]和[111]方向以枝晶形態(tài)長大，導致合金的持久性能降低[34]。時效12 000 h的樣品經(jīng)恢復熱處理后，可以得到比較理想的γ'相尺寸和形態(tài)，晶界形貌也回復到接近熱處理后的狀態(tài)(圖9)。力學性能測試結(jié)果(表4)也表明，恢復熱處理可能是燃氣輪機葉片延壽的有效手段。

DD10單晶合金是目前國內(nèi)強度水平最高的抗熱腐蝕單晶合金，對合金的凝固過程、析出相種類，單晶制備工藝及熱處理制度等開展的系統(tǒng)研究表明[32，35-37]，合金組織穩(wěn)定，而且具有良好的鑄造工藝性能。圖10是DD10單晶合金熱處理態(tài)和經(jīng)900℃長期時效后的γ'相形貌。與DZ411合金中觀察到的現(xiàn)象相似，γ'相在長期時效中合并長大，部分溶解，立方度降低，但合金中沒有TCP相析出，表現(xiàn)出良好的組織穩(wěn)定性[32，37]。

表4 DZ411合金900℃，12 000 h時效和恢復熱處理后的性能比較Table 4 Normalized properties of DZ411 after aging at 900℃，12 000 h and rejuvenation heat treatment

圖10 DD10單晶合金熱處理態(tài)(a)，900℃，6 500 h時效(b)和900℃，8 500 h時效(c)后的顯微組織Fig.10 Microstructure of DD10:(a)as heat treated， (b)after aging at 900℃ for 6 500 h，and(c)after aging at 900℃for 8 500 h

4 葉片制造技術(shù)

重型燃氣輪機用大型定向結(jié)晶葉片制造工藝，包括復雜大尺寸陶瓷型芯和陶瓷型殼的制造、定向凝固過程中的參數(shù)控制、葉片的熱處理和加工及長壽命防護涂層制備等。其中，定向凝固技術(shù)是大型定向結(jié)晶葉片的關(guān)鍵制造技術(shù)之一。

從20世紀80年代開始，快速凝固技術(shù)(High Rate Solidification，HRS)被廣泛應用于航空發(fā)動機定向和單晶葉片的制造。隨著航空發(fā)動機相關(guān)技術(shù)向燃氣輪機的轉(zhuǎn)移，HRS技術(shù)也被用來制造燃氣輪機使用的大型定向結(jié)晶葉片。由于尺寸差別巨大，利用HRS技術(shù)制造重燃機葉片時，必須重新優(yōu)化關(guān)鍵工藝，例如改善陶瓷型殼、型芯的材料和制造工藝，優(yōu)化蠟模材料和設(shè)計，對定向凝固參數(shù)進行更精確的控制等[38]。但是，隨重型燃氣輪機葉片尺寸的增加，傳統(tǒng)的HRS技術(shù)在制造大型定向結(jié)晶葉片時遇到了越來越多的挑戰(zhàn)。

圖11是定向凝固中葉片尺寸與鑄造缺陷關(guān)系的示意圖[11，39]。由于HRS工藝定向凝固中，隨葉片尺寸的增加，固液界面前沿的溫度梯度不斷降低，為了維持固液界面穩(wěn)定的溫度梯度，獲得無凝固缺陷的鑄件，必須把液態(tài)高溫合金的溫度保持在很高的水平，同時降低凝固速率(近似定向凝固過程的抽拉速率)。但在1 500～1 600℃，甚至更高溫度下，活潑的液態(tài)高溫合金長時間與陶瓷型殼和型芯接觸，很容易發(fā)生反應，陶瓷型殼和型芯本身也容易發(fā)生蠕變、斷裂。因此，大型定向結(jié)晶葉片的工藝窗口很小(圖11中的灰色區(qū)域)，而且很容易出現(xiàn)等軸晶、縮孔、雀斑等缺陷。這同時也給型殼、型芯、葉片后處理等帶來一系列問題[4，11，40]。

圖11 定向凝固中鑄件尺寸與凝固缺陷關(guān)系示意圖Fig.11 Schematicdiagram of relationship between castingsizeand solidification defect during directional solidification

20世紀90年代，國際重型燃氣輪機市場發(fā)展迅速，對大型定向結(jié)晶渦輪葉片的需求也越來越迫切，為了解決HRS技術(shù)制造大型定向結(jié)晶葉片時面臨的上述問題，Siemens，GE和Alstom均開始高溫度梯度液態(tài)金屬冷卻(Liquid Metal Cooling，LMC)定向凝固技術(shù)的工程化應用研究。到2000年左右，歐洲已經(jīng)完成了LMC技術(shù)的工程化研究，掌握了大型LMC葉片的批產(chǎn)技術(shù)。由于LMC工藝使用低熔點合金作為冷卻介質(zhì)，大幅度提高了整個定向凝固過程的溫度梯度，因此可以顯著細化鑄件的顯微組織、提高抽拉速率。除了合金組織與性能的顯著改善，LMC技術(shù)的另一個巨大優(yōu)勢體現(xiàn)在大型葉片的定向凝固制造工藝中。由于LMC定向凝固中固液界面的溫度梯度始終很高，因此完全可以使液態(tài)高溫合金溫度保持在較低的水平，采用較快的抽拉速率，避免大尺寸陶瓷型殼、型芯發(fā)生上述HRS工藝中容易出現(xiàn)的問題。文獻[40]針對LMC工藝中低熔點合金冷卻介質(zhì)的選擇，LMC設(shè)備參數(shù)和工藝參數(shù)的優(yōu)化，以及LMC工藝制備的高溫合金的典型組織與力學性能做了較為詳細的介紹。

近幾年，國外結(jié)合數(shù)值模擬，針對LMC技術(shù)開展了進一步的研究。例如Pollock等人[41-43]利用LMC技術(shù)制備了第二代單晶高溫合金，模擬了定向凝固過程中固液界面的位置，以及單晶合金的一次枝晶間距，研究了工藝參數(shù)對枝晶間距和縮孔尺寸與分布的影響。通過與傳統(tǒng)HRS工藝的對比，進一步證實了LMC技術(shù)可以有效地細化組織，減少缺陷。Singer等人[44-45]還發(fā)現(xiàn)，由于LMC工藝使合金中縮孔的尺寸和體積分數(shù)明顯減少，合金的疲勞性能得到明顯提升。

在我國，西北工業(yè)大學利用LMC技術(shù)高溫度梯度的特點，在合金凝固理論方面開展了大量的研究工作，對高溫度梯度下定向和單晶合金的凝固特征、顯微組織等進行了較為系統(tǒng)和深入的研究[46-50]。鋼鐵研究總院利用傳統(tǒng)HRS技術(shù)，結(jié)合數(shù)值模擬，研制了總長約300 mm的定向結(jié)晶燃氣輪機葉片[51]。

中國科學院金屬研究所從2003年開始探索LMC技術(shù)的工程化應用，突破了抗熱沖擊模殼、低熔點金屬污染控制等關(guān)鍵技術(shù)，2009年成功研制了可滿足750 mm長定向結(jié)晶葉片研制的大型LMC設(shè)備，為重型燃氣輪機大型定向結(jié)晶渦輪葉片的研制，奠定了裝備和技術(shù)基礎(chǔ)[52-53]。近年來，利用LMC技術(shù)，針對定向和單晶合金的定向凝固工藝[35，54-55]、顯微組織[56]、熱處理工藝[57]、典型性能[58-59]和鑄造工藝性能[60]等開展了較為系統(tǒng)的工作。研究表明，LMC技術(shù)可以獲得顯著細化的定向凝固組織，某些合金甚至可以鑄態(tài)直接使用，避免了后續(xù)固溶熱處理帶來的再結(jié)晶等問題。特別是在難以充分實現(xiàn)均勻化熱處理的大型定向結(jié)晶鑄件中，LMC工藝可使合金的疲勞性能得到明顯提升[61]。

重型燃氣輪機熱端部件的研制工作在國內(nèi)起步較晚，近年來中科院金屬所、鋼鐵研究總院等單位與國內(nèi)相關(guān)企業(yè)合作，研制了多種重型燃氣輪機使用的等軸晶渦輪和導向葉片，同時也開展了大型定向結(jié)晶渦輪葉片的研發(fā)工作[62]。

近年來，金屬所成功研制了430 mm長的實心定向葉片;在突破大尺寸抗熱沖擊型殼、復雜型芯、定向凝固等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用LMC技術(shù)成功研制了450 mm長、具有復雜冷卻內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的大型DZ411定向結(jié)晶渦輪葉片。

由于較慢的拉伸速率和較低的凝固速率，傳統(tǒng)HRS工藝制造的大型定向結(jié)晶鑄件的一次枝晶間距約為350～550 μm[63-64]，在葉片中容易出現(xiàn)由于宏觀偏析造成的雀斑等缺陷[65]。對LMC工藝制備的大型定向結(jié)晶葉片的鑄態(tài)顯微組織進行分析表明，一次枝晶間距(PDAS)和二次枝晶間距(SDAS)均隨離開冷卻底盤的距離的增加而增加，在葉片延伸段和榫頭位置，PDAS最大，約為320 μm(圖12)。鑄態(tài)葉片不同位置的共晶尺寸和體積分數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果見圖13，鑄造縮孔尺寸和體積分數(shù)見圖14。由于LMC工藝較高的溫度梯度減輕了定向凝固中的偏析，所有葉片中均未出現(xiàn)大型鑄件中容易產(chǎn)生的雀斑等缺陷。

圖12 葉片不同位置的一次枝晶間距(a)和二次枝晶間距統(tǒng)計(b)Fig.12 Primary dendrite arm spacing(a)and secondary dendrite arm spacing(b)in the blade cast by LMC process

圖15 LMC葉片經(jīng)1 210℃ (a)，1 220℃ (b)，1 230℃(c)固溶熱處理后，DZ411合金的典型顯微組織Fig.15 Microstructure of the blade heat treated at 1 210℃ (a)，1 220℃ (b)，and 1 230℃ (c)

固溶處理溫度對DZ411合金的組織影響很大，圖15是葉片延伸段取樣經(jīng)不同溫度固溶處理后的典型顯微組織?？梢钥闯?，隨固溶溫度的提高，合金中枝晶間的殘留共晶逐漸減少，較高的固溶處理溫度可以使鑄態(tài)枝晶間的共晶完全溶解，實現(xiàn)合金的充分均勻化。但是，較高的固溶處理溫度也可能帶來再結(jié)晶、初熔等缺陷[6]。合金經(jīng)固溶和時效熱處理后，基體中析出了立方度較好、尺寸約為300 nm的γ'相，在γ基體通道中，還析出了細小的二次γ'相(圖16)。

在上述工作的基礎(chǔ)上，近年來，金屬所也開展了大型單晶葉片的研制工作。結(jié)合計算模擬技術(shù)，通過合理設(shè)計單晶葉片澆注系統(tǒng)，精確控制定向凝固參數(shù)，成功制備了300 mm長的大型單晶葉片(圖17)。

圖16 DZ411葉片熱處理后的典型γ'相形貌Fig.16 Typical morphology of γ'phase after heat treatment

圖17 利用計算模擬技術(shù)得到的單晶葉片定向凝固中的溫度場分布(a)，和利用DD10合金研制的燃氣輪機單晶葉片(b)Fig.17 Temperature distribution during directional solidification of a single crystal blade(a)，and single crystal blade(b)

5 結(jié) 語

大尺寸定向和單晶渦輪葉片是現(xiàn)代和未來先進重型燃氣輪機的關(guān)鍵熱端部件，因此研制具有優(yōu)異綜合性能(力學性能，抗熱腐蝕和抗氧化性能，鑄造工藝性能，涂層工藝性能，長期組織和力學穩(wěn)定性等)的定向和單晶高溫合金材料，掌握大型定向結(jié)晶渦輪葉片的關(guān)鍵制造技術(shù)，是我國自主研發(fā)先進燃氣輪機的重要保障。

盡管目前國內(nèi)抗熱腐蝕鑄造高溫合金，已經(jīng)基本形成了等軸晶、定向柱晶和單晶合金的體系，但實現(xiàn)現(xiàn)有合金的工程化應用，保證重型燃氣輪機的自主研發(fā)和高效、高可靠性運轉(zhuǎn)，仍需要開展大量深入的工作，主要包括合金、合金-涂層體系的長壽命性能數(shù)據(jù)積累，近服役工況條件的性能測試與考核，合金的長壽命組織性能演化規(guī)律及損傷機制，部件的壽命評估與壽命預測等等。此外，針對未來先進燃氣輪機的需要，必須開展工作溫度更高的抗熱腐蝕定向和單晶合金的研制。由于重燃葉片的尺寸越來越大，大型定向和單晶葉片中的某些缺陷，例如單晶葉片中的小角度晶界很難完全消除，所以在合金研制中，在系統(tǒng)研究缺陷對合金性能影響的同時，必須考慮如何提高合金的缺陷容限。

大型葉片制造包括定向凝固及后續(xù)處理和加工、涂層等。其中定向凝固技術(shù)、長壽命涂層技術(shù)，是定向和單晶葉片的核心制造技術(shù)。除高溫度梯度LMC技術(shù)外，還涉及大型陶瓷模殼、型芯、蠟模的制造與脫除，固溶熱處理及其它熱工藝過程中的再結(jié)晶控制，涂層材料及制造工藝等。因此，為實現(xiàn)大型定向結(jié)晶和單晶葉片的工程化制造與應用，仍需開展大量工作。未來先進重型燃氣輪機熱端葉片的工作溫度不斷提升，由于單晶高溫合金材料本身的承溫能力提升幅度較小，而且需要添加Re等貴金屬元素，因此先進冷卻技術(shù)(例如，先進航空發(fā)動機使用的層板冷卻技術(shù))和熱障涂層技術(shù)的應用對未來大型單晶葉片的發(fā)展和應用意義重大，這也對大型復雜單晶葉片的制造工藝提出了更高的要求。

材料與工藝的計算模擬技術(shù)，是優(yōu)化重型燃氣輪機關(guān)鍵熱端部件制造工藝，推動關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展和應用的重要手段。從先進高溫合金的成分設(shè)計，熱處理制度設(shè)計，力學行為，氧化腐蝕行為，大型鑄件的定向凝固工藝優(yōu)化與缺陷控制，到材料和部件的使役行為，損傷與壽命評估及預測，均需要依托研發(fā)工作中的大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累，開展相應的計算模擬工作，不斷豐富相關(guān)材料理論，同時指導先進材料與復雜熱端部件的研發(fā)與應用。

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