國(guó)內(nèi)外輕型燃?xì)廨啓C(jī)用材的特點(diǎn)

彭建強(qiáng)， 張宏濤， 周立艷， 王德彪， 馮天澍

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司， 黑龍江 哈爾濱， 150046）

輕型燃?xì)廨啓C(jī)通常是在充分借鑒航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的基礎(chǔ)上， 根據(jù)不同用途， 對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)改造而來(lái)， 因此， 又稱(chēng)為航改式燃?xì)廨啓C(jī)。 輕型燃?xì)廨啓C(jī)具有效率高、 體積小、 制造成本低、 工期短的優(yōu)點(diǎn)， 廣泛用于艦船動(dòng)力、 分布式能源、 天然氣管道增壓設(shè)備等。 俄羅斯比爾姆公司、 美國(guó)GE 公司和英國(guó)Rolls-Royce 公司是世界上最先進(jìn)的輕型燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)和制造公司。 其中， 最經(jīng)典的產(chǎn)品為美國(guó)GE 公司設(shè)計(jì)和制造的LM2500 系列輕型燃?xì)廨啓C(jī)[1-4]。 美國(guó) GE 公司和英國(guó)Rolls-Royce 公司同屬歐美系列， 對(duì)于輕型燃?xì)廨啓C(jī)， 無(wú)論是從設(shè)計(jì)、 制造工藝還是選材上， 都有很多相似之處； 而俄羅斯有其獨(dú)特和完善的工業(yè)體系， 在設(shè)計(jì)、 制造工藝和選材都有獨(dú)到之處。國(guó)內(nèi)輕型燃?xì)廨啓C(jī)制造廠家在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上， 也形成了獨(dú)特的設(shè)計(jì)、 制造工藝和選材體系。

對(duì)于輕型燃?xì)廨啓C(jī)用材， 主要包括兩類(lèi)， 即：高溫鈦合金和高溫合金。 本文從輕型燃?xì)廨啓C(jī)選材的角度， 對(duì)比分析美國(guó)、 英國(guó)和俄羅斯在輕型燃?xì)廨啓C(jī)用材的基礎(chǔ)上， 重點(diǎn)分析俄羅斯用材的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)， 為國(guó)內(nèi)輕型燃?xì)廨啓C(jī)用材的研發(fā)和應(yīng)用提出建議。

1 高溫鈦合金

輕型燃?xì)廨啓C(jī)由航空發(fā)動(dòng)機(jī)演變發(fā)展而來(lái)，而對(duì)于其主要用途之一艦船動(dòng)力而言， 嚴(yán)苛的海上腐蝕環(huán)境和減重要求， 使得其很多關(guān)鍵部件，比如壓氣機(jī)輪盤(pán)、 葉片、 機(jī)匣等， 必須采用鈦合金制造。

低壓壓氣機(jī)的工作溫度較低， 所以通常采用國(guó)內(nèi)外廣泛使用的Ti-6Al-4V 即可滿(mǎn)足使用要求。而高壓壓氣機(jī)部件溫度較高， 一般在500～600 ℃，甚至更高， 超出了現(xiàn)有鈦合金的使用溫度極限，因此， 大部分大部分輕型燃?xì)廨啓C(jī)高壓壓氣機(jī)部件均采用鎳基高溫合金制造。 但是鎳基高溫合金存在密度大、 熱膨脹系數(shù)大等問(wèn)題。 因此， 國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和制造商都在研發(fā)使用溫度在600 ℃以上的鈦合金材料[5]。

對(duì)于高溫鈦合金材料有系統(tǒng)研究且具有系列化材料體系的國(guó)家僅有俄羅斯、 美國(guó)、 英國(guó)、 中國(guó)等。 從合金設(shè)計(jì)理念來(lái)看， 歐美發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫鈦合金注重蠕變性能， 合金類(lèi)型多為近α 型。 而俄系高溫鈦合金更注重高溫強(qiáng)度、 表面抗氧化和熱穩(wěn)定性， 以α+β 型合金為主。

國(guó)內(nèi)外廣泛使用和正在研發(fā)的高溫鈦合金材料見(jiàn)表1。

表1 高溫鈦合金材料[5-9]

續(xù)表1

從表 1 可以看出， 俄羅斯、 美國(guó)、 英國(guó)和中國(guó)均形成了獨(dú)立的高溫鈦合金體系， 使用溫度為350～600 ℃。 然而， 從合金種類(lèi)來(lái)說(shuō)， 俄羅斯在高溫鈦合金研發(fā)和應(yīng)用方面具有明顯優(yōu)勢(shì)， 具有以下特點(diǎn)：

（1）材料種類(lèi)多， 各類(lèi)合金牌號(hào)達(dá) 14 個(gè)， 每種使用溫度范圍內(nèi)至少有2 種合金可供選用；

（2）合金類(lèi)型多， 有 α、 近 α 和 α+β 3 種類(lèi)型；

（3）合金成分更加多樣化， 比如500 ℃等級(jí)的合金， 有成分非常簡(jiǎn)單的合金種類(lèi)， 也有成分非常復(fù)雜的合金種類(lèi)； 而對(duì)于600 ℃等級(jí)的合金，俄羅斯的BT36 是國(guó)內(nèi)外所有合金中成分最復(fù)雜的， 除含有0.1%稀土元素Y 外， 還含有5.0%難熔金屬W。

對(duì)于鈦合金的性能而言， 成型方式、 熱處理狀態(tài)、 組織狀態(tài)等均具有顯著影響。 針對(duì)不同的用途， 俄羅斯的研究機(jī)構(gòu)、 制造廠等對(duì)表1 中所列各類(lèi)高溫鈦合金在不同條件下的各項(xiàng)性能進(jìn)行了深入研究， 并構(gòu)建了強(qiáng)大的性能數(shù)據(jù)庫(kù)， 包括不同條件、 不同溫度下物理特性、 拉伸沖擊性能、蠕變持久性能、 疲勞性能、 組織穩(wěn)定性等等。 其中， 不同條件包括：

（1）不同產(chǎn)品形式： 棒材、 環(huán)鍛件、 自由鍛件、 模鍛件等；

（2）不同成型方式： 軋制、 α+β 鍛造、 β 鍛造等等；

（3）不同熱處理狀態(tài)： 退火態(tài)、 雙重退火、 等溫退火、 形變熱處理態(tài)、 淬火+時(shí)效態(tài)、 變形熱處理+時(shí)效態(tài)等；

（4）不同組織狀態(tài)： α 組織、 近 α 組織、 α+β雙態(tài)組織、 α+β 等軸組織、 α+β 網(wǎng)籃組織等。

可以說(shuō)， 針對(duì)具體的材料用途， 俄羅斯燃?xì)廨啓C(jī)制造商可以選擇綜合性能最優(yōu)的高溫鈦合金材料。

值得注意的是， 為了提高高溫鈦合金的使用壽命， 俄羅斯不斷改進(jìn)和研發(fā)新合金， 比如表1中的 BT8-1、BT8M、BT8M-1、BT25y、BT18y 等。

2 高溫合金

輕型燃?xì)廨啓C(jī)用高溫合金主要有鑄造高溫合金和變形高溫合金， 其中鑄造高溫合金主要用于透平動(dòng)導(dǎo)葉片， 變形高溫合金主要用于壓氣機(jī)和透平的輪盤(pán)、 軸、 軸頸、 葉片等。

2.1 鑄造高溫合金

表2 是國(guó)內(nèi)外輕型燃?xì)廨啓C(jī)用鑄造高溫合金的化學(xué)成分。 其中， Rene 系列合金、 MAR-M002和Udimet500 合金屬于歐美研發(fā)的合金， K435、K444 和K452 是國(guó)內(nèi)研究院所參照俄羅斯相應(yīng)牌號(hào)研制的鎳基鑄造合金。

表2 國(guó)內(nèi)外輕型燃?xì)廨啓C(jī)用鑄造高溫合金的化學(xué)成分[10-12] wt %

續(xù)表2

從表2 可以看出， 歐美系合金與俄羅斯系合金有如下共同點(diǎn)：

（1）Cr 含量普遍超過(guò) 15%；

（2）Co 含量普遍在 10%左右；

（3）Mo 當(dāng)量普遍在 4%～6%；

（4）Al、 Ti 含量之和普遍在 5%～8%；

（5）普遍含有少量晶界強(qiáng)化元素B、 Zr。

同時(shí)， 歐美系合金與俄羅斯系合金有如下不同點(diǎn)：

（1）俄羅斯系合金的 W/Mo 均大于 1， 而絕大部分歐美系合金的W/Mo 小于等于1；

（2）俄羅斯系合金的 Ti/Al 均大于 1， 而絕大部分歐美系合金的Ti/Al 小于1；

（3）俄羅斯系添加少量稀土元素強(qiáng)化， 而歐美系合金不使用稀土元素。

Cr 是最重要的抗氧化和抗熱腐蝕元素， 合金中只要Cr 含量大于15%， 即使Al 含量小于5%，也可以在合金表面形成致密Cr2O3保護(hù)膜。

Co 在鎳基合金中的作用有： 1）降低基體層錯(cuò)能， 相應(yīng)地降低穩(wěn)態(tài)蠕變速率， 提高合金的抗蠕變性能； 2） Co 與 Ni 為同族元素， 可以形成無(wú)限固溶體， 對(duì)基體固溶強(qiáng)化作用； 3） Co 的加入會(huì)降低 Ti 和 Al 在基體中的溶解度， 增加 γ′ 沉淀強(qiáng)化相數(shù)量， 同時(shí)， γ′ 相成分變?yōu)?（Ni， Co）3（Al，Ti）， 提高 γ′ 相的溶解溫度。 但是， 由于 Co 的價(jià)格昂貴， 國(guó)內(nèi)外均限制其加入量來(lái)控制合金成本。

W 和Mo 在合金中的主要作用之一是固溶強(qiáng)化， 即降低基體層錯(cuò)能， 提高合金的抗蠕變性能。特別地， W 的原子半徑比Mo 大， 固溶強(qiáng)化效果更好。 因此， 在 W、 Mo 強(qiáng)化效果方面， 俄羅斯系合金有一定優(yōu)勢(shì)。

韓汾汾[13]等研究了Ti/Al 比對(duì)鑄造Ni 基合金組織和性能的影響， 指出： 隨著Ti/Al 比的增加， 合金鑄態(tài)組織中共晶含量顯著增加， 共晶周?chē)笑窍嗌桑?合金初融溫度降低； 相同熱處理?xiàng)l件下，γ′ 相尺寸增加， 立方度降低； 合金持久性能變化不大。

稀土元素的主要作用有[11]：1）作為凈化劑脫氧和脫硫， 降低氧和硫在晶界的有害影響；2）作為微合金化元素偏聚于晶界， 起到強(qiáng)化晶界作用； 3）作為活性元素改善合金的抗氧化性， 提高表面穩(wěn)定性。 俄羅斯的稀土礦儲(chǔ)存量很大， 僅次于中國(guó)。因此，添加稀土元素是俄羅斯系合金的一大特點(diǎn)。

2.2 變形合金

表3 是國(guó)內(nèi)外輕型燃?xì)廨啓C(jī)用變形高溫合金的化學(xué)成分。

表3 內(nèi)外輕型燃?xì)廨啓C(jī)用變形高溫合金的化學(xué)成分[10-12] wt %

續(xù)表3

比較歐美系合金和俄羅斯系合金， 可以發(fā)現(xiàn)以下特點(diǎn)：

（1）歐美系合金普遍采用價(jià)格昂貴的Co 元素進(jìn)行強(qiáng)化， 而俄羅斯系合金很少使用Co；

（2）歐美系合金的 Ti/Al 比普遍遠(yuǎn)大于 1， 而俄羅斯系合金的Ti/Al 比接近1。

（3）俄羅斯系合金由于沒(méi)有添加Co 元素， 雖然要犧牲一些性能， 但是具有很強(qiáng)的成本優(yōu)勢(shì)。

（4）對(duì)于變形合金而言， 高的 Ti/Al 比會(huì)顯著提高合金的強(qiáng)度,相應(yīng)的塑韌性會(huì)差一些； 俄羅斯系變形合金的Ti/Al 比接近1， 所以其強(qiáng)度和塑韌性的配合要更好一些。

3 總結(jié)

對(duì)比輕型燃?xì)廨啓C(jī)用歐美系材料， 俄羅斯系材料具有以下特點(diǎn)：

（1）鈦合金種類(lèi)多， 性能全， 更有利于設(shè)計(jì)選材；

（2）鑄造高溫合金充分利用礦產(chǎn)資源特點(diǎn)， 大量采用W、 Mo 及稀土金屬元素強(qiáng)化；

（3）變形高溫合金盡量不添加Co 元素， 降低機(jī)組成本。

因此， 對(duì)于國(guó)內(nèi)輕型燃?xì)廨啓C(jī)用材料研發(fā)和應(yīng)用提出如下建議：

（1）充分研究俄羅斯系鈦合金研發(fā)和應(yīng)用的特點(diǎn)， 進(jìn)一步完善現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)用鈦合金體系， 為燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)提供更多選擇；

（2）充分研究俄羅斯系鑄造和變形高溫合金的特點(diǎn)， 大量研發(fā)和應(yīng)用符合國(guó)內(nèi)礦產(chǎn)資源的合金，降低機(jī)組制造成本。