国内外地面燃气轮机涡轮叶片材料及涂层技术

国内外地面燃气轮机涡轮叶片材料及涂层技术肖程波、何利民北京航空材料研究院目录高温合金发展简史及发展状况燃气轮机发展背景地面燃气轮机技术发展趋势地面燃气轮机叶片材料需求特点国外地面燃气轮机叶片材料发展趋势国外燃机叶片材料应用状况国内燃气轮机叶片材料发展状况燃机叶片涂层技术国内外发展状况高温合金展望高温合金发展简史及发展状况高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。在英美称之为超合金（Superalloy），具有以下特点：较高的高温强度；良好的抗氧化合抗腐蚀性能；良好的疲劳性能、断裂韧性、塑性等。是航空发动机、火箭发动机、舰船动力和燃气轮机等高温热端部件不可替代的材料。根据合金材料成形方式的不同，可分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末冶金高温合金3类。变形高温合金：涡轮盘、涡轮轴、高压压气机盘、叶片、紧固件等关键零部件。铸造高温合金：工作叶片、导向叶片、涡轮机匣等。粉末冶金高温合金：高、低压涡轮盘，封严盘，导流盘，涡轮前/后挡板等。高温合金发展简史及发展状况高温合金发展简史及发展状况1906年，第一个镍基高温合金MONEL问世高温合金发展简史及发展状况1909年纽约市宾夕法尼亚火车站房顶用120TMONEL板材至今100年延续使用高温合金发展简史及发展状况TheU.S.Navy’smostadvancedattacksubmarine,Virginia,launchedin2004,usesMONELK-500fasteners&hardware.高温合金发展简史及发展状况美国哈氏合金-HASTELLOYALLOYS1912年HASTELLOY问世，发展至今哈氏A，B，C，D，E，F，G系列在1948年建立轧制厂之前，所有合金都是铸件。到20世纪60年代，氩氧脱碳技术(AOD)和电渣重熔技术(ESR)开始应用与此同时也开始有了现代化的冷轧技术成卷轧制在干燥氢气当中进行光亮退火在1970年，哈氏合金公司被Cabot公司收购StelliteDivision成为Stellite部门1982年引进了4辊可逆式轧机6000吨分离力轧制板坯，厚板，连轧卷材1986年，哈氏合金公司从Cabot公司中分离出来成为现在的美国哈氏合金国际公司主厂在印第安那州的Kokomo，管材厂在路易斯安那州的Arcadia，丝材厂在北卡罗兰那州的MountainHome高温合金发展简史及发展状况HighestTemperatureCapability1964NIMONICalloy115RR-DevelopedSheetAlloy1971NIMONICalloy263EnhancedCorrosionResistantalloy1001960NIMONICalloy105AdditionofMo+RefinementofTiandAl1955NIMONICalloy100FurtherincreasesinTiandAl1951NIMONICalloy95Additionof16.5%CotoreplaceNi1945NIMONICalloy90ModificationoftheTiandAlforStrength1944NIMONICalloy80AFirstTi+AlHardenedSuperalloy1941NIMONICalloy80英国NIMONIC系列合金高温合金发展简史及发展状况NiSuperalloyTurbineAirfoils:SignificantAdvancesinAlloysandCastingProcesses…AlloyTemperatureCapability(oF)Base1960197019801990501001502002502000EquiaxedColumnarSingleCrystalPWA1426PWA1484PWA1487PWA1497PWA1422PWA1480MM247B1900IN10010yearsforproduction-readyadvancedalloyInitiateScreeningFullCharacterization高温合金发展简史及发展状况高温合金发展简史及发展状况高温合金发展简史及发展状况高温合金发展简史及发展状况高温合金发展简史及发展状况高温合金发展简史及发展状况中国主要铸造高温合金与国外合金对比高温合金发展简史及发展状况世界总产量约25万吨/年，中国需求2.5万吨/年，约占1/10高温合金发展简史及发展状况序号工业领域主要装备典型合金年需求/吨%1化工反应器IN600，C-2767,500302电热发热体IN800，80A5,000203油井油井套管028，G3，8253,000124新能源多晶硅用反应器800H3,000125动力核电、超超临界火电690，617，7401,50066航空航天叶片、盘、燃烧室镍基高温合金5,00020总计25,000100民用镍基合金需求约2万吨/年，占中国总需求的4/5；大量镍基合金靠进口(美国、欧洲和日本)，估计进口占总量1/2。高温合金发展简史及发展状况高温合金发展简史及发展状况涡轮风扇（涡扇）发动机按使用对象按循环方式按转子数目按发展背景、结构形式和功重比舰船用航空用工业用涡轮喷气（涡喷）发动机涡轮螺旋桨（涡桨）发动机涡轮轴（涡轴）发动机简单循环复杂循环联合循环双转子（分轴）多转子（轴套、三轴）单转子轻型燃气轮机（航空燃机改型）重型燃气轮机微型和超微型燃气轮机燃气轮机分类燃气轮机发展背景——燃气轮机分类100MW以上20-100MW中型燃气轮机燃气轮机发展背景——柴油机、蒸汽轮机、燃气轮机比较动力装置柴油机蒸汽轮机燃气轮机重量大大（金属耗量比燃机多3-5倍）小体积大很大（厂房比燃机大2.5-4倍）小功率小大大单位重量大很大小燃料消耗率（热效率）低（热效率高）较高（热效率较高）高（大功率时回热或余热利用与柴油机相当）燃料实用性柴油燃煤多种燃料启动、加速快（但-16℃要预热启动）很慢快（-35℃可以启动）运行平稳性惯性力矩大，振动小类似燃机旋转件易平稳维护保养维护人员少，用水量少维护人员很多，用水量很多维护人员少，方便，不用或少用水承担基本负荷电网紧急备用电源尖峰负荷电源舰船动力军用舰艇舰载机商用豪华客轮豪华游艇动力军用坦克、装甲车辆油田注水、注气、气举采油输油和输气管道增压铁路机车动力驱动机械驱动主要应用领域燃气轮机发展背景——燃气轮机主要应用领域工业电力预计2020年全世界燃气轮机发电将占50%单轴重型结构，初期高温合金，简单空冷技术。性能参数特征：涡轮进口温度小于1000℃，简单循环效率小于30%，增压比4-10。涡轮进口温度达到1260-1300℃，增压比10-30，简单循环效率36-40%，联合循环效率55-58%。第三代：使用最先进的高温合金和少量现有的超级合金、陶瓷材料，涡轮进口温度在1400℃～1500℃，短时达到1600℃。第四代：涡轮进口温度达1600-1800℃，新材料应是密度小于5g/cm3、具有更好的综合性能，也许陶瓷材料是一种选择。第一代燃气轮机技术第二代燃气轮机技术第三、四代燃气轮机技术地面燃气轮机技术发展趋势一般来说，涡轮进口温度提高40℃，燃机热效率可提高1.5%，功率相应可增加10%。提高涡轮进口温度新材料：承温能力更高新工艺：定向、单晶凝固10～30℃涂层技术：热障涂层，150℃～200℃冷却技术：300℃～500℃关键技术采用高循环参数(涡轮进口温度和增压比)改善部件结构和性能采用先进的热力循环地面燃气轮机技术发展趋势地面燃气轮机叶片材料需求特点材料特性：良好的耐腐蚀性能良好的组织稳定性优异的铸造性能足够的高温强度地面燃气轮机（IGT）涡轮叶片参数航空发动机重型地面燃机重量0.5Kg3Kg稳态下工作时间/h1000020000峰值温度下工作时间/h50020000环境正常氧化热腐蚀尺寸小（50-150mm）大（300-700mm）航空发动机与重型地面燃机叶片差异国外地面燃气轮机叶片材料发展趋势Aeroengines国外燃机叶片材料应用状况制造商燃机型号静叶材料动叶材料输出功率Alstom(ABB)GT24GT26Ⅰ级：DSCM247LCⅡ、Ⅲ级:MarM247LCⅣ、Ⅴ级:IN738Ⅰ～Ⅲ级：DSCM247LCⅣ、Ⅴ级:MarM247LCGT26：265MWGE7/9FA（1300℃）Ⅰ级：FSX－414Ⅱ、Ⅲ级:GTD222Ⅰ级：DSGTD111Ⅱ、Ⅲ级：GTD111226.5MW7H（1500℃）Ⅰ级：ReneN5Ⅱ级：DSGTD222Ⅰ级：ReneN5Ⅱ级：DSGTD111Ⅲ、Ⅳ级：DSGTD444SiemensV84/94.3AⅠ级：MarM509Ⅲ～Ⅳ级：Rene80Ⅰ级：PWA1483240MWMHI501/701GMGA2400Ⅰ、Ⅱ级：DSMGA1400Ⅲ、Ⅳ级：MGA1400701G：310MW定向合金已经广泛应用，单晶叶片合金进入应用阶段航空发动机单晶叶片地面燃机单晶叶片GTD111合金用量减少，被有更高蠕变强度的GTD444合金取代长50cm,重10Kg国内燃气轮机叶片材料发展状况合金种类合金应用等轴晶K438850℃舰船和工业用涡轮和导向叶片K38G900℃下恶劣环境中的涡轮叶片和导向叶片K435900℃舰船和民用燃气轮机涡轮叶片K488850℃舰船和工业用涡轮叶片材料定向DZ38G900℃下海洋气氛长寿命定向结晶涡轮叶片DZ411900-930℃使用的F级燃气轮机高压涡轮工作叶片DZ466900-950℃使用的F级燃气轮机高压涡轮工作叶片单晶DD8使用温度在900℃以下，舰船燃气轮机叶片DD83一代单晶，可用作F级燃气轮机高压涡轮工作叶片DD5二代单晶，可用作H级燃气轮机高压涡轮工作叶片30DZ466合金承温能力比DSGTD111高10~15℃DZ466合金高温拉伸性能优于DSGTD111合金，长期组织稳定性良好可用于900-950℃使用的地面燃机、舰船及舰载机发动机涡轮工作叶片DZ466合金：航材院新研制的耐腐蚀定向高温合金国内燃气轮机叶片材料发展状况DZ466DZ466K438K438DZ466合金蠕变性能曲线950℃/220MPa蠕变断裂寿命：DSGTD111：79.1h蠕变断裂寿命：232hDZ466合金与DSGTD111合金蠕变性能比较国内燃气轮机叶片材料发展状况◆DZ466合金蠕变性能优于DSGTD111合金32DZ466合金与DSGTD111合金组织稳定性比较国内燃气轮机叶片材料发展状况900℃/8000h900℃/20738h900℃/0h900℃/2500hDSGTD111DZ466随时效时间延长，γ′尺寸增大，形态趋于球化γ’：0.26~0.6µmγ’：0.5~1.5µmγ’：0.8~1.5µmγ’：0.7~2.0µm◆DZ466合金，900℃/8000h，γ′尺寸增大2~3倍，γ′形态趋于圆形，开始聚集粗化。◆DSGTD111合金900℃/2500hγ′尺寸与DZ466合金900℃/8000hγ′尺寸相当◆DZ466合金组织稳定性优于DSGTD111。用DSGTD111浇注的叶片叶身有多处铸造热裂纹DZ466合金定向空心叶片复杂内腔结构大叶片（长度380mm，重5.5Kg）用DZ466合金浇注的叶片叶身完好DZ466合金具有良好的铸造工艺性能热裂纹复杂内腔结构薄壁叶片（最薄壁厚0.8mm）DZ466合金与DSGTD111铸造工艺性能比较国内燃气轮机叶片材料发展状况合金试验参数平均氧化增重速率（g/m2∙h）DZ466950℃/100h0.032K4380.055DSGTD1110.138950℃/100h静态抗氧化试验◆DZ466合金950℃抗氧化性能优于DSGTD111和K438合金ab连续的Al2O3层Al2O3和Cr2O3混合氧化物950℃/100h氧化DZ466950℃/