燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)

 

 

   由于燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且各部位工作溫度和受力情況等差別較大，因此對(duì)材料性能的要求和選用就各不相同。圖2 表示了隨著燃燒溫度的提高，燃?xì)廨啓C(jī)用材料發(fā)生著深刻的變化，圖中燃燒溫度急速上升階段得益于冷卻技術(shù)的快速發(fā)展。

 

燃燒室

 

   燃燒室是將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，為動(dòng)力渦輪提供穩(wěn)定高壓高溫氣體的裝置。燃燒室有三種基本的結(jié)構(gòu)：圓筒型、環(huán)型的和分管型。燃燒室在高溫、大負(fù)荷、變工況的環(huán)境下工作，因此對(duì)材料性能的要求主要有：高溫抗氧化和抗燃?xì)飧g性能；足夠的瞬時(shí)性能和持久強(qiáng)度；良好的冷熱疲勞性能，優(yōu)良的工藝塑性（沖壓，彎曲性能）和焊接性能；材料在工作溫度下長期組織穩(wěn)定。為了滿足燃燒室的工況要求，已經(jīng)得到選用的燃燒室用鎳基高溫合金主要有Hastelloy X, RA333，Nimonic 263，以及Tomilloy（IN617 的一種改型）合金。部分燃燒室末節(jié)內(nèi)襯還采用了HS-188 合金以提高其持久強(qiáng)度。為了增強(qiáng)外部冷卻空氣的效果、保持燃燒室用合金在蠕變極限范圍內(nèi)，以及降低燃燒室的熱梯度，燃燒室還廣泛采用熱障涂層。熱障涂層一般為一層約254靘 厚的等離子噴涂NiCoCrAlY/ZrO2?Y2O3復(fù)合粘接層。如表1、表2 所示，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室用高溫合金比例不斷提高。

 

 

 

 

   過渡導(dǎo)管的作用是將燃燒室排氣口的燃?xì)饩鶆蚱椒€(wěn)傳輸至第一級(jí)導(dǎo)向葉片。雖然過渡導(dǎo)管對(duì)外形的要求較燃燒室內(nèi)襯簡單，但因?yàn)樵诜蹢l件下溫度和應(yīng)力的共同作用以及過渡導(dǎo)管的冷卻限制，所以對(duì)其制備材料和工藝的要求更高。20 世紀(jì)70 年代前，過渡導(dǎo)管通常采用Hastelloy X 合金；80 年代后逐漸采用Nimonic263，HS-188，IN617，Tomilloy 合金。

 

 

   導(dǎo)向葉片的第一級(jí)是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上受熱沖擊最大的零件之一。但由于它是靜止的，相對(duì)于動(dòng)力渦輪來說，承受的機(jī)械負(fù)荷并不大。導(dǎo)向葉片在服役條件下因?yàn)閼?yīng)力造成扭曲、溫度劇烈變化產(chǎn)生裂紋以及過燃引起燒傷，使得導(dǎo)向葉片在工作中經(jīng)常出現(xiàn)故障。根據(jù)導(dǎo)向葉片工作條件，要求材料具有如下性能：足夠的持久強(qiáng)度及良好的熱疲勞性能；有較高的抗氧化和抗腐蝕的能力；良好的焊接性能。如用鑄造合金，則要求具有良好的鑄造性能。

導(dǎo)向葉片和工作葉片實(shí)物圖

 

   目前用于導(dǎo)向葉片的鈷基合金有FSX-414，鎳基合金有GTD-222，ECY768（改型Mar-M509），還有部分采用鑄造鎳基合金：IN939，IN738，MarM247LC。為了滿足更高工作溫度的要求，正計(jì)劃采用N5，DSGTD-222 等單晶葉片。

 

 

   渦輪工作葉片是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵構(gòu)件之一。雖然工作溫度較導(dǎo)向葉片低，但是工作葉片受力大而復(fù)雜，工作條件惡劣，因此對(duì)渦輪葉片材料的要求有：高的抗氧化和抗腐蝕能力；高的抗蠕變和持久斷裂的能力；良好的機(jī)械疲勞和熱疲勞性能以及良好的高溫和中溫綜合性能。高度冷卻的空心葉片還需其冷卻通道局部區(qū)域能承受大的應(yīng)力集中。同時(shí)還對(duì)合金的長期組織穩(wěn)定性和表面涂層工藝性能有一定的要求。

 

   早期渦輪工作葉片采用Ni-20Cr 系變形鎳基高溫合金，而且合金的強(qiáng)度隨著共格析出Ni3（Al,Ti）相的增加而增加。但高強(qiáng)度高溫合金變形加工十分困難，隨后渦輪工作葉片逐漸采用Inco738，Inco939 和Inco792等鑄造高溫合金。隨著渦輪進(jìn)氣溫度的進(jìn)一步提高，促進(jìn)了定向凝固和單晶葉片的開發(fā)。

 

   由于變形高溫合金和普通鑄造高溫合金葉片在垂直離心載荷方向的晶界容易萌生裂紋從而限制葉片合金的持久壽命，為了減少甚至消除晶界蠕變裂紋而成功開發(fā)了定向凝固高溫合金。定向凝固高溫合金晶界平行載荷方向，因此顯著增加合金蠕變強(qiáng)度和持久壽命，同時(shí)也改善了合金的熱疲勞和抗氧化性能，以及抑制合金的裂紋擴(kuò)展速率。表3 給出了部分定向凝固高溫合金的化學(xué)成分。單晶高溫合金進(jìn)一步提高合金的耐溫性能，表4 給出了部分單晶高溫合金的名義化學(xué)成分。雖然單晶高溫合金葉片在航空發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，但僅少量的單晶葉片在工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)中得到應(yīng)用，如CMSX 4、René N5。目前工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)用單晶渦輪葉片還存在一些關(guān)鍵技術(shù)需要改善，如需要提高合金耐熱腐蝕性能，由于葉片尺寸的增加需要鑄造過程有大的熱梯度，優(yōu)化鑄造工藝參數(shù)，確定葉片缺陷接收標(biāo)準(zhǔn)等。
 

 

 

   渦輪盤是在高溫、高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷等十分惡劣的條件下工作，除了有很大的離心負(fù)荷和氣動(dòng)負(fù)荷作用外，還要承受很大的熱負(fù)荷作用，特別是渦輪盤，必須要求足夠的強(qiáng)度。同時(shí)為了適應(yīng)燃料多樣性、低品質(zhì)和運(yùn)行環(huán)境的苛刻，要求材料抗熱腐蝕能力高。為了提高燃機(jī)的熱效率，必須不斷提高循環(huán)參數(shù)中的溫度、壓力，因此更高渦輪盤材料研制和制備起到關(guān)鍵作用。渦輪盤在工作中受熱不均，盤的輪緣部位比中心部位承受較高的溫度，產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。榫齒部位承受最大的離心力，所受的應(yīng)力更為復(fù)雜。因此對(duì)渦輪盤材料性能的要求有：合金應(yīng)具有高的屈服強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度；良好的冷熱和機(jī)械疲勞性能；線膨脹系數(shù)小，無缺口敏感性，較高的低周疲勞性能。如下圖5所示，相對(duì)于耐熱鋼渦輪盤（左），高溫合金渦輪盤（右）由于較高的綜合性能，在體積上大幅度的瘦身。渦輪盤選材發(fā)展過程經(jīng)歷三代：

耐熱鋼渦輪盤（左）和高溫合金渦輪盤（右）

 

   （1）第一代：合金鋼和耐熱鋼渦輪盤

 

   第一代始自四五十年代，渦輪盤材料主要為合金鋼和耐熱鋼，使用溫度為400℃左右，如A469（12CrNiMoV）、第八屆（2011）中國鋼鐵年會(huì)論文集A565（22CrMoV）、12CrNiMo、NiCrMoV 等。

 

   （2）第一代：“F”、“FA”、“3A”型新型渦輪盤

 

   現(xiàn)如今第二代已達(dá)當(dāng)今最高水平，新開發(fā)出的一批“F”、“FA”、“3A”型技術(shù)的新產(chǎn)品代表著當(dāng)今工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的最高水平：渦輪初溫達(dá)到1260~1300℃，壓比10~30，簡單循環(huán)效率36%~40%，聯(lián)合循環(huán)效率55%~58%。渦輪盤選用高溫合金，如美國的A-286，俄羅斯的萑437、菹674 等，使用溫度500~600℃左右，國內(nèi)使用的高溫合金渦輪盤材料有GH2132、GH36 等。

 

 

   （3）第三代高性能高溫合金渦輪盤

 

   目前，第三代高性能高溫合金渦輪盤正在開發(fā)，其主要特征是采用更有效的蒸汽冷卻技術(shù)，渦輪初溫在1400～1500℃，短時(shí)達(dá)到1600℃。高溫部件的材料仍以高溫合金為主，采用先進(jìn)工藝進(jìn)一步改善合金性能。如美國的IN706、IN718。近年來為艦用燃?xì)廨啓C(jī)研制了GH4698、GH4742 高性能變形高溫合金渦輪盤，使用溫度達(dá)到650~700℃左右，合金化學(xué)成分參見表5。

 

   隨著進(jìn)氣溫度和壓比的不斷提高，耐熱鋼已經(jīng)不再能夠滿足需求，鎳基高溫合金In706，憑借其良好的耐高溫特性，很好的滿足了燃機(jī)未來對(duì)溫度需求，并且提供了更高的強(qiáng)度、韌性和抗蠕變能力。與其有類似組成的In718 也被用作備選材料。鑒于渦輪轉(zhuǎn)子的大尺寸和結(jié)構(gòu)，給大型鎳基高溫合金的熔煉、澆鑄以及開坯、鍛造提出了巨大的挑戰(zhàn)。通過三聯(lián)冶煉工藝（VIM-ESR-VAR）過程控制的關(guān)鍵性改進(jìn)，嚴(yán)格控制VAR熔煉步驟，使用大量過程模型模擬、優(yōu)化關(guān)鍵的工藝參數(shù)等手段消除了化學(xué)成分偏析、白斑、黑斑等與熔煉有關(guān)的缺陷。目前為止，已經(jīng)分別生產(chǎn)出滿足要求的直徑達(dá)1020mm 和690mm 的IN706 和IN718 合金錠。

 

   輪盤的鍛造可以采用自由鍛或模鍛，這取決于鍛造廠的能力，通過復(fù)合包套技術(shù)、有效控制轉(zhuǎn)移時(shí)間以及優(yōu)化的壓下制度，可以獲得均勻細(xì)小的組織結(jié)構(gòu)，并且可以通過時(shí)效得到強(qiáng)化。所有渦輪盤按照嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全面的超聲波探傷。在渦輪盤上取試樣環(huán)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，包括室溫、高溫拉升試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)和持久試驗(yàn)。渦輪盤必須對(duì)生產(chǎn)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格的控制和監(jiān)測，才能生產(chǎn)出具有優(yōu)良顯微組織結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，任何環(huán)節(jié)控制不好，都可能對(duì)最終的產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響。

 

 

   綜上所述，目前工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件燃燒室、連接導(dǎo)管、導(dǎo)向葉片、工作葉片和渦輪盤大多采用高溫合金材料制備，同時(shí)還在開展新型高溫合金及其工藝的研究以滿足更為先進(jìn)的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的需求，如新型熱障涂層技術(shù)應(yīng)用，大尺寸單晶葉片工藝，新型大尺寸渦輪盤生產(chǎn)工藝和創(chuàng)新性的冷卻技術(shù)等。