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1、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。综合录井在生产中的应用和发展 华东理工大学 高温材料在燃气轮机中的应用和发展 燃气轮机在过去几十年中取得了突飞猛进的发展。燃气轮机具有热效率高、污染少、耗水少等优点，参与联合循环的燎气轮机组能达到更高的热效率，因而燃气轮机在电力上的应用越来越广泛。材料是先进燃气轮机设计、制造技术的基础和保证条件，特别足高温材料，没有先进的高温材料就不可能设计制造出先进的燃气轮机。高温合金材料是燃气轮机材料中极其重要的组成部分。在燃气轮机燃烧室、导向叶片、涡轮动叶片以及涡轮盘等部位上都有着广泛的应用。本文就当前燃气轮机所采用高温合金的主要特点及新技术的应用情况进行了说明和分析，并
2、对目前世界主要国家的研制水平和发展趋势进行了简要的介绍。 一 概述 高温合金材料是现代燃气轮机所必需的重要金属材料，它能在高温（一般指600到1100度）氧化气氛中和燃气腐蚀条件下承受较大应力，并长期使用。20世纪40年代初，英国在镍铬电热材料的基础上用铝和钛等元素对合金进行强化，促进了镍基高温合金的发展，同时也为燃气轮机性能的提高创造了必要条件。随后，美国和前苏联也相继研制了高温合金。我国自20世纪50年代末至今，从无到有，由仿制到独创，基本上形成了我国的高温合金材料系列和科研生产基地。 二高温合金材料的分类 高温合金按基体分类有铁基、镍基和钴基合金。实际上加入了大量的合金 -1 华东理工大
3、学 定。 4.2导向叶片用高温合金 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。但由于它是静止的，所受的机械负荷并不大。通常由于应力引起的扭曲、温度剧烈变化引起的裂纹以及过燃引起的烧伤，使导向叶片在工作中经常出现故障。根据导向叶片工作条件，要求材料具有如下性能：足够的持久强度及良好的热疲劳性能；有较高的抗氧化和抗腐蚀的能力；如用铸造合金，则要求具有良好的铸造性能。 4.3涡轮动叶片用高温合金 涡轮工作叶片是涡轮发动机上最关键的构件之一。虽然工作温度比导向叶片要低些，但是受力大而复杂，工作条件恶劣，因此对涡轮叶片材料要求有：高的抗氧化和抗腐蚀能力；高的抗蠕变和持久断裂的能力；良好的机械
4、疲劳和热疲劳性能以及良好的高温和中温综合性能。 4.4涡轮盘用高温合金 涡轮盘在工作中受热不均，盘的轮缘部位比中心部位承受较高的温度，产生很大的热应力。榫齿部位承受最大的离心力，所受的应力更为复杂。为此对涡轮盘材料要求有：合金应具有高的屈服强度和蠕变强度；良好的冷热和机械疲劳性能；线膨胀系数要小，无缺口敏感性，较高的低周疲劳性能。 五高温合金的发展趋势和新技术 为满足新一代的燃气轮机对高性能材料的需要，除在定向凝固铸造技术和单 -3 华东理工大学 喷涂cocralsiy/zro2剃度涂层是沿高温合金基体至涂层表面的厚度方向上，zro2含量逐渐增加，cocralsiy含量逐渐减少，表现出涂层成份
5、剃度化分布，剃度涂层层与层间无明显的成份突变，组织呈连续变化，大大提高了涂层与基材的结合强度。该种涂层最大厚度可达180m，可降低100150度的工作温度。电子束：剃度涂层是通过制备一定直径的靶材，当电子束射击靶材时，通过靶材中的元素蒸发和真空室中连续供给氧气的技术，使金属zr和y原子在cocraly涂层表面形成在y2o3中稳定的zro2涂层。涂层成份的变化通过控制电子束喷涂设备的功率来调整。该种涂层最大厚度可达120m。 可以预见，今后将会有更多的不同元素组成的涂层应用于燃气轮机高温部件上，这样就可以大大提高燃气轮机的效率、可靠性和经济性，满足不同用途燃气轮机的使用要求。 六现有水平及发展趋
6、势 美国在20世纪90年代推出了一些新型镍基合金，haynes242，230，214和556等。新型inconel718.合金已用于美国f-117飞机发动机的尾喷管蜂窝夹芯板，该蜂窝夹芯板用超塑性成形扩散连接加工而成，能耐高温、压力和声压。haynes242为ni-mo-cr时效硬化合金，具有较高的强度和塑性、良好的抗氧化性和低热膨胀系数，可不用涂层防护，目前这种合金制成的发动机构件现已进入试车阶段，主要用于发动机环形件和件。haynes230成份ni-22%cr-14%w2%mo，主要用于发动机燃烧室部件和密封件等。haynes214的成份为ni-16%cr-4.5%al-13%fe-y，它
7、是一种优良的抗氧化材料，用于蜂窝密封件时，其性能为hastelloy的8倍。haynes556为fe-m-cr-co合金，为用于高温合金的新型焊接材料，主要也用于发动机构件。 -5 华东理工大学 金材料，如国际镍公司发展的低膨胀系数合金4005（42ni-29.5fe-18co-6al-3nb-1.5ti）等。合金发展的一个主要特点是日益提高加入合金元素的总量。 我国正在开发一种用于680-700度盘件生产的新型inconel718（中国牌号gh4169）合金。该改型合金基于ni-19cr-18fe-3mo-b，w（nb）较高，为5.2%-5.5%ni+ti+al摩尔分数控制在6.5%-7.5
8、%范围内，（al+ti）/nb原子比控制在1.1-1.4范围内，w（w）1%-2%为增强固溶强化效果，有时添加低含量的co，一定含量的p作为该新型合金的晶界强化元素。该改型718合金的科研开发目的在于提高合金性能以得到高质量特别是更长的应力断裂寿命及提高650-700度的温度特性。目前改型718合金的目标是作为700度的盘件材料。其改变如下：（1）高温强度（例如700度）特别是应力断裂寿命和蠕变性能必须与传统inconel718在650度时的性能相同；（2）调整主要强化元素nb，ti，al（没有添加贵重元素ta），同时保持1和2沉淀强化特性；（3）加入少量固溶强化元素，例如w和co，但co含量
9、应尽可能控制得低；（4）p作为一种新的晶界强化元素加入到合金中。另一种我国自主研制的沉淀硬化镍基高温合金gh4133（gh33a），w（nb）1.15%-1.65%，已生产20多年，广泛应用于700度的各种喷气发动盘件上。为进一步提高持久（蠕变）强度和断裂韧性，采用加mg微合金化，增强晶界强化效应，发展和生产了gh4133b合金，目前我国民航机的喷气发动机涡轮盘，燃气轮机都使用了该合金。 燃气轮机广泛应用于现代的发电、航空航天、船舶等领域，燃气轮机技术水平的高低已成为一个国家科技水平、军事实力的综合国力的重要标志之一。通过分析目前世界先进发电燃气轮机各主要部件的使用材料，及对未来下一代燃气轮机使用材料的发展趋势进行讨论，可以有效把握和促进国内当前燃气轮 -7 第 5 页 共 5 页