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高温合金在涡轮发动机各部位上的应用特点及发展趋势

发布日期:2015-07-01

高温合金在涡轮发动机各部位上的应用及特点

由于燃气轮机结构较为复杂,各部位温度和受力情况等,差别较大,因此对材料的要求和选用就各不相同。

燃烧室用高温合金

燃烧室所受的机械应力较小,但热应力较大,对材料的要求主要有:高温抗氧化和抗燃气腐蚀性能;足够的瞬时和持久强度;良好的冷热疲劳性能,良好的工艺塑性(持久,弯曲性能)和焊接性能;合金在工作温度下长期组织稳定。

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。

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;良好的机械疲劳和热疲劳性能以及良好的高温和中温综合性能。

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。

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晶铸造技术等方面继续发展以外,粉末高温合金技术和新型的抗高温氧化、抗燃气冲刷防护涂层技术也得了广泛的应用。

粉末高温合金技术

FGH51粉末高温合金是采用粉末冶金工艺制备的相沉淀强化型镍基高温合金。该合金γ相的体积分数为$,-左右,其形成元素的原子分数为50%左右。合金盘件的制造工艺路线是采用真空感应熔炼制取母合金,然后雾化制取预合金粉末,进而制成零件毛坯。与同类铸、锻高温合金相比,它具有组织均匀、晶粒细小、屈服度高和疲劳性能好等优点,是当前650度工作条件下强度水平最高的一种高温合金。该种高温金主要用于高性能发动机的转动部件,如涡轮盘和承力环件等。

新型涂层技术

要提高燃气轮机涡轮叶片零件工作温度和延长其寿命,对防护涂层,特别是在可能热腐蚀条件下工作的涂层提出了苛刻的要求。传统的扩散铝化物涂层和渗铝硅涂层已经不能满足高压涡轮叶片抗高温氧化和抗高温燃气高速冲刷的工作要求,只能用于低压涡轮导向器和整流支柱表面的保护。两种新型涂层———等离子喷CoCrAlSiY/ZrO2剃度涂层和电子束CoCrAlSiY/ZrO2剃度涂层已经在燃气轮机涡轮叶片上得到了应用,由于具有最佳成份的厚度,既满足了叶片的工作条件要求又大大增加涂层与叶片基材的结合强度,极大地提高了叶片的使用寿命。

在目前的使用中,等离子喷涂CoCrAlSiY/ZrO2涂层主要应用于高压涡轮导向器上,而电子束CoCrAlSiY/ZrO2涂层主要应用于高压涡轮动叶表面。等离子喷涂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180μm,可降低100~150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120μm。

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。

文章来源:钢铁研究学报






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