燃气轮机用叶片合金的研究进展

燃气轮机是一种高效、节能、低污染的新型动力机械。燃气轮机具有效率高、功率大、质量轻、尺寸小、启动快、工程总投资少、运行成本低、可采用多种燃料、不用冷却或少用水和寿命周期长等优点，被广泛应用于发电、航空、航天、船舰、坦克、铁路机车的动力装置和天然气输送、油田注水、供热、矿井通风等重要领域。其中，叶片材料具有重要作用。
　　燃气轮机是以空气为介质，依靠高温燃气推动涡轮机械连续做功的大功率、高性能动力机械。其原理是由压气机连续不断地从外界大气中吸入空气并增压，压缩空气在燃烧室进口被喷入燃料进行掺混，然后点火燃烧。在短短几十厘米的距离内空气温度会上升数百甚至上千度，压力也会激增。高温高压的燃气从燃烧室出口喷出并开始膨胀，同时推动涡轮叶片做功，其中，用高温合金制造的涡轮叶片起着关键作用。
　　要实现燃气轮机的大容量、高效率、高性能，提高涡轮前进口温度是最重要的措施和发展途径之一。要提高涡轮前进口温度和燃机性能，关键是提高叶片承温能力，这与材料承温能力的提高有关。
　　与航空发动机相比，燃气轮机热锻零部件的工作环境要恶劣得多。地面或舰用燃气轮机大多采用柴油，其中含有硫、钠等杂质，会造成热腐蚀对高温合金部件有较大的破坏作用；舰艇在海中航行，海盐在空气中以悬浮颗粒形态存在。当NaCl粒子随空气经过压气机进入涡轮，就会使叶片上沉积Na2SO4等熔盐膜而发生热腐蚀反应。地面或舰用燃气轮机要求寿命长，通常要达到几万乃至几十万小时；另外，重型燃机叶片尺寸偏大，给其铸造工艺带来难度。因此，燃气轮机叶片用高温合金要有良好的高温强度，良好的抗腐蚀性能，长期的组织稳定性以及良好的工艺性能。
　　燃气轮机涡轮叶片主要包括各级涡轮的工作叶片和导向叶片。导向叶片的第一级是涡轮发动机上受热冲击最大的零件之一。目前，用于导向叶片的材料有钴基合金FSX-414，镍基合金GDT-222、ECY(768)，还有部分采用铸造镍基合金：IN939、IN738、MarM247LC等。为了满足更高工作温度要求，正计划采用N5、DS GTD-222等单晶叶片。
　　迄今为止，欧美诸国及日本已先后开发出多种燃气轮机涡轮叶片合金，近年来，我国的材料研究学者及有关专家也不甘落后，先后开发了几种燃气轮机用涡轮叶片合金，见表1。
　　表1  我国研制的几种燃气轮机用涡轮叶片合金
　　合金名称
　　合金特性描述
　　K438合金
　　K438合金是由中科院金属研究所等科研单位开始研制的，其化学成分类似于美国王牌抗热腐蚀合金In738。该合金的综合性能达到了In738合金的同等水平，具有良好的抗热腐蚀性能、机械性能和工艺性能，组织稳定，适用于海上和陆基工业燃汽轮机。
　　K438G合金
　　K438G合金是为斯贝舰改燃气涡轮叶片和导向叶片研制的，其抗热腐蚀性能与美国合金In738相当，而使用温度可提高20～25℃。
　　K435，K444，K452和GH4413
　　这四种新研制的抗热腐蚀高温合金的抗张强度和屈服强度都明显优于K438合金，而塑性则基本相当。
　　G3合金
　　钢铁研究总院研制的一种低成本、高性能燃气轮机用定向凝固合金，通过合金成分的调整，其具有足够的抗热腐蚀性能，足够的γ'数量，Ti/Al比大于1，合金使用温度提高，合金晶界得到强化，经济性提高。