重型燃氣輪機透平葉片用單晶合金發(fā)展趨勢

彭建強，呂振家，張宏濤，李毅剛，閆紅博

(1.哈爾濱汽輪機機廠有限責任公司，哈爾濱 150046; 2.黑龍江科技大學, 哈爾濱 150022)

西門子公司和GE公司的H級重型燃氣輪機已經(jīng)廣泛投入商業(yè)運行，日本三菱日立公司的J級1 600 ℃等級燃氣輪機也已經(jīng)投入運行，該公司正在研發(fā)1 700 ℃等級的重型燃氣輪機[1-3]。隨著燃氣輪機進氣參數(shù)的提高，透平葉片的工作溫度也不斷提高。工業(yè)燃氣輪機透平葉片材料經(jīng)歷了變形高溫合金到等軸鑄造合金、定向鑄造合金、單晶鑄造合金的發(fā)展歷程。目前，國外H級重型燃氣輪機透平葉片已經(jīng)采用第2代單晶合金。

本文在介紹國外F級及以上等級重型燃氣輪機透平葉片用材和國內(nèi)外單晶合金研發(fā)和應用情況的基礎(chǔ)上，分析了單晶合金化學成分的特點和成分設(shè)計應該考慮的因素，結(jié)合國內(nèi)外低Re單晶合金的研發(fā)和應用情況，指出使用低Re單晶合金是重型燃氣輪機透平葉片用材的發(fā)展趨勢，并給出國內(nèi)重型燃氣輪機透平葉片用低Re合金的研發(fā)建議。

1 重型燃氣輪機透平葉片用材情況

表1是世界主要燃氣輪機制造商生產(chǎn)的F級及以上機組的透平葉片用材情況。

從表1可以看出:

1)GE公司FB級燃氣輪機透平第1級動葉已經(jīng)采用第2代單晶合金制造，而第2～3級動葉采用定向鑄造合金制造；

2)西門子公司的F級燃氣輪機透平第1、2級動導葉均采用第1代單晶合金制造，第3、4級動導葉采用傳統(tǒng)等軸合金制造；

表1 世界上F級及以上重型燃氣輪機透平葉片用材情況[4-5]

3)三菱公司F3級及以上等級燃氣輪機透平前幾級動葉和J級前2級導葉采用定向鑄造合金制造，其他級動葉和導葉均采用傳統(tǒng)等軸合金制造，這主要因為其動導葉片設(shè)計采用了更加先進的冷卻結(jié)構(gòu)和涂層技術(shù)。

表2是重型燃氣輪機透平葉片用典型合金的化學成分。

表2 重型燃氣輪機透平葉片用典型合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù)%)[6-9]

從表2可以看出，這些合金主要分為三類：

1)單晶合金，包括第1代單晶合金PWA1483等；

2)定向鑄造合金，包括第1代定向合金DSMGA1400、DSGTD111、DSGTD444等；

3)傳統(tǒng)等軸合金，如MGA1400、IN738、IN939、GTD111、GTD222等。

2 單晶合金

2.1 國內(nèi)外單晶合金的研發(fā)和應用情況

自20世紀80 年代第1代單晶高溫合金(PWA1480 等)成功應用于F100 航空發(fā)動機至今，單晶合金已經(jīng)發(fā)展到第5代。目前，國外航空發(fā)動機已經(jīng)應用第3代單晶合金。重型燃氣輪機透平葉片也已經(jīng)應用第2代單晶合金(見表1)。國內(nèi)的航空發(fā)動機已經(jīng)應用第2代單晶合金，比如自主研發(fā)的DD406合金。國內(nèi)第3代單晶高溫合金正處于材料研究階段，第4代單晶合金的研制尚處于探索階段。

2.2 單晶合金化學成分的特點

單晶合金主要合金元素隨各代鑄造合金發(fā)展的變化情況如圖1所示。

圖1 單晶合金主要合金元素隨各代鑄造合金

從圖1可以看出：

1)Cr質(zhì)量分數(shù)呈顯著下降趨勢，Al質(zhì)量分數(shù)呈顯著上升趨勢；

2)Co質(zhì)量分數(shù)先降后升，第3代和第4代單晶合金保持在10%左右；

3)Ta和W的質(zhì)量分數(shù)呈先增加，再減少，再增加的趨勢；

4)傳統(tǒng)鑄造合金中不含Re元素，在第1～3代單晶合金中Re質(zhì)量分數(shù)呈上升趨勢，在第4代單晶合金中Re質(zhì)量分數(shù)呈下降趨勢；

5)在第3代合金前，合金中均不含有Ru元素，第3代和4代單晶合金中添加Ru，且質(zhì)量分數(shù)呈上升趨勢；

6)Mo質(zhì)量分數(shù)在傳統(tǒng)鑄造合金中呈下降趨勢，在第1代單晶合金中陡降至1%以下，之后呈緩慢上升趨勢，保持在2%左右；

7)Ti質(zhì)量分數(shù)在傳統(tǒng)合金中呈增加趨勢，在第1代單晶合金后先是緩慢降低，之后陡降至1%以下，在第2代單晶合金之后逐漸消失。

2.3 單晶合金化學成分變化分析

單晶合金蠕變強度的提高主要得益于γ＇強化相質(zhì)量分數(shù)的提高，而要提高γ＇相的質(zhì)量分數(shù)，必須提高γ＇相形成元素Al的質(zhì)量分數(shù)；而Cr是γ＇相形成元素，所以其質(zhì)量分數(shù)會顯著降低。需要注意的是這種變化會導致抗氧化性能的變化，因為在未涂涂層的情況下，大多數(shù)的現(xiàn)代合金在氧化條件下首先傾向于形成Al2O3，而非Cr2O3。因此，對于Al質(zhì)量分數(shù)不斷增加的單晶合金葉片，必須采用必要的抗氧化涂層防護措施。

普遍認為，Co元素能夠通過固溶強化作用提高合金的蠕變持久性能，但是對于Co元素在單晶合金中的強化機理尚未形成統(tǒng)一的定論，因此，其質(zhì)量分數(shù)的波動較大。

Ta和W均屬于難熔金屬，主要通過固溶強化作用提高合金的蠕變持久強度，因此在傳統(tǒng)鑄造合金中Ta和W的質(zhì)量分數(shù)呈上升趨勢。但是在第1～3代合金中，Ta和W質(zhì)量分數(shù)呈下降趨勢，因為強化效果更好的Re元素質(zhì)量分數(shù)在增加；同樣，在第4代合金中Ta和W質(zhì)量分數(shù)呈上升趨勢，因為Re質(zhì)量分數(shù)呈下降趨勢。

Mo具有很好的固溶強化作用，也可以提高合金的蠕變持久強度，但與Ta、W、Re等難熔合金相比，Mo的強化效果要差得多。而過多的Mo、Ta、W、Re等元素會促進有害的拓撲密排(TCP)相析出，顯著降低合金的蠕變持久性能，如圖2所示。因此，在含有較多Ta、W、Re等元素的單晶合金中，Mo的質(zhì)量分數(shù)較低，基本維持在2%左右。

Re可以顯著提高單晶的蠕變持久強度，具有“Re效應”，單晶合金中均添加Re元素，第3代單晶中Re元素更是高達6%左右。在第1～3代合金中，Re元素的質(zhì)量分數(shù)呈上升趨勢，因為Ta和W質(zhì)量分數(shù)呈下降趨勢；而在第4代合金中Re質(zhì)量分數(shù)呈下降趨勢，因為Ta和W質(zhì)量分數(shù)呈上

(a)蠕變曲線(1 093 ℃，103 MPa)

(b)持久曲線(1 093 ℃)

升趨勢。Re元素質(zhì)量分數(shù)過高，會使合金的組織變得不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生有害的TCP相。這些TCP相在鋁化物涂層下的二次反應區(qū)(SRZs)、富Re的枝晶區(qū)域(鑄造微觀偏析區(qū)域)和小角度邊界區(qū)域形成。另外，添加Re元素還有兩個不利影響：一是價格昂貴，增加了機組成本；二是密度大，提高了輪盤輪緣應力水平。

第4代的單晶合金中添加了Ru，同時降低了Re的質(zhì)量分數(shù)。Re質(zhì)量分數(shù)4.5%和Ru質(zhì)量分數(shù)4%是第4代單晶合金的典型特征。對于第4代單晶合金的主要研究工作都是在近10年內(nèi)開展的，尤其是對Ru在鎳基合金中的強化作用。研究發(fā)現(xiàn)，Ru 能夠抑制單晶高溫合金中TCP相的析出，進而可以對高溫合金產(chǎn)生穩(wěn)定化的作用。但是，對于Re元素的作用機制研究還很不充分，許多觀點仍存在爭議[10-11]。添加Ru元素的不利因素同樣是價格昂貴。

Ti會加速合金的氧化率，還會降低葉片表面熱障涂層的結(jié)合力。單晶合金葉片的工作溫度非常高，且單晶葉合金片必須使用熱障涂層，所以第2代單晶合金及其之后的單晶合金幾乎不含Ti。

2.4 單晶合金成分設(shè)計要求

單晶合金的設(shè)計需要兼顧高溫強度、組織穩(wěn)定性、抗氧化腐蝕性能、鑄造工藝性能、涂層兼容性能、密度等各種應用性能要求，因此，下一代單晶合金的設(shè)計空間越來越小。這就要求針對具體應用情況優(yōu)先保證幾種性能要求。比如，對于重型燃氣輪機透平葉片用單晶合金而言，其尺寸大、運行環(huán)境惡劣、壽命需求長等特點決定了設(shè)計必須首先保證合金具有優(yōu)異的抗腐蝕性能、鑄造工藝性能、組織穩(wěn)定性以及較低的成本。

2.5 低Re單晶合金的發(fā)展

如上所述，雖然Re能夠顯著提高單晶合金的蠕變持久性能，具有“Re效應”，但是高Re單晶合金存在組織不穩(wěn)定、密度大、價格昂貴等缺點。特別是對于壽命要求長的重型燃氣輪機而言，這些缺點都是致命的。因此，國內(nèi)外都在研發(fā)低Re或無Re單晶合金。

2.5.1 日本的情況

日本國立材料科學研究所(NIMS)通過改變 W、Ta 質(zhì)量分數(shù)，以提高Mo+W+Ta質(zhì)量分數(shù)，由此有效提高γ＇體積分數(shù)、基體固溶強化能力等，最終提升材料蠕變持久強度。該研究所設(shè)計出了Re質(zhì)量分數(shù)只有2.4%的TMS-82+合金，其使用溫度超過第2代單晶合金[9]。

為了解決1 700 ℃等級燃氣輪機透平葉片用材問題，日本三菱公司與NIMS合作研發(fā)了一種新型無Re單晶合金MGA1700。該合金的蠕變強度和熱疲勞強度如圖3所示?？梢钥闯?，MGA1700的蠕變強度與現(xiàn)有第3代合金TMS-75相當，熱疲勞強度優(yōu)于現(xiàn)有第2代單晶CMSX-4、TMS-82+和第3代合金TMS-75。

圖3 MAG1700合金蠕變強度和熱疲勞強度與現(xiàn)有合金的比較[3]

2.5.2 美國的情況

美國GE公司的F級和H級重型燃氣輪機透平葉片已經(jīng)使用第2代單晶合金Rene N5。但是由于Rene N5含有約5%的Re元素，這大大增加了機組的制造成本，從而降低了市場競爭力。因此，GE公司在Rene N5 基礎(chǔ)上通過調(diào)整W、Mo、Re 和 Cr 等元素的質(zhì)量分數(shù)，獲得一種低Re合金Rene N515，該合金的Re質(zhì)量分數(shù)降低到 1.5%。同時，GE公司還簡化了合金的熱處理工藝。Rene N515的蠕變持久強度和抗氧化性能與Rene N5相當，如圖4和圖5所示。Rene N515合金正在CFM56噴氣發(fā)動機中得到應用。GE公司還在研發(fā)無Re的單晶合金Rene 500。

圖4 Rene N5和Rene N515合金的蠕變持久強度比較[12]

圖5 Rene N5和Rene N515合金的抗氧化性能比較[12]

2.5.3 中國的情況

我國已經(jīng)成功研制出低Re單晶合金DD406。與傳統(tǒng)的等軸合金、定向鑄造合金和已成功應用的第2代CMSX-4單晶合金相比，DD406合金具有更好的高溫綜合性能，已成為國內(nèi)某型先進航空發(fā)動機渦輪轉(zhuǎn)子葉片的主要材料[13]。DD406合金化學成分如表3所示。與Rene5相比，DD406合金降低了Cr質(zhì)量分數(shù)，提高了W、Ta、Co等元素的質(zhì)量分數(shù)。

表3 DD406鎳基單晶合金化學成分(質(zhì)量分數(shù)%)[13]

3 結(jié) 論

高Re單晶合金帶來的成本高、組織穩(wěn)定性差等缺點，決定了其不適合制造重型燃氣輪機透平葉片。因此，使用低Re或無Re單晶合金是重型燃氣輪機透平葉片用材的發(fā)展趨勢。對于國內(nèi)重型燃氣輪機透平葉片用低Re或無Re單晶合金的研發(fā)，應在充分研究航空發(fā)動機葉片用單晶合金(比如DD406)的基礎(chǔ)上，重點解決鑄造工藝性能、組織穩(wěn)定性、抗熱腐蝕性等問題。