燃?xì)廨啓C(jī)在過去幾十年中取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。燃?xì)廨啓C(jī)具有熱效率高、污染少、耗水少等優(yōu)點(diǎn)，參與聯(lián)合循環(huán)的燎氣輪機(jī)組能達(dá)到更高的熱效率，因而燃?xì)廨啓C(jī)在電力上的應(yīng)用越來越廣泛。材料是先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的基礎(chǔ)和保證條件，特別足高溫材料，沒有先進(jìn)的高溫材料就不可能設(shè)計(jì)制造出先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)。高溫合金材料是燃?xì)廨啓C(jī)材料中極其重要的組成部分。在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室、導(dǎo)向葉片、渦輪動(dòng)葉片以及渦輪盤等部位上都有著廣泛的應(yīng)用。本文就當(dāng)前燃?xì)廨啓C(jī)所采用高溫合金的主要特點(diǎn)及新技術(shù)的應(yīng)用情況進(jìn)行了說明和分析，并對(duì)目前世界主要國(guó)家的研制水平和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。
一 、概述
高溫合金材料是現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)所必需的重要金屬材料，它能在高溫（一般指600到1100度）氧化氣氛中和燃?xì)飧g條件下承受較大應(yīng)力，并長(zhǎng)期使用。20世紀(jì)40年代初，英國(guó)在鎳—鉻電熱材料的基礎(chǔ)上用鋁和鈦等元素對(duì)合金進(jìn)行強(qiáng)化，促進(jìn)了鎳基高溫合金的發(fā)展，同時(shí)也為燃?xì)廨啓C(jī)性能的提高創(chuàng)造了必要條件。
隨后，美國(guó)和前蘇聯(lián)也相繼研制了高溫合金。我國(guó)自20 世紀(jì)50年代末至今，從無(wú)到有，由仿制到獨(dú)創(chuàng)，基本上形成了我國(guó)的高溫合金材料系列和科研生產(chǎn)基地。
二、 高溫合金材料的分類
高溫合金按基體分類有鐵基、鎳基和鈷基合金。實(shí)際上加入了大量的合金元素而成為多組元為基的合金，如鐵—鎳—鉻基合金；鎳—鉻—鈷基合金等。發(fā)展最快、使用最廣的是鎳基合金，其次是鐵基合金。
鈷基合金在國(guó)外也有相應(yīng)發(fā)展，但限于資源，我國(guó)很少研制應(yīng)用。高溫合金以成型方式分為變形合金和鑄造合金。鑄造合金近年來又發(fā)展了定向結(jié)晶和單晶合金。利用定向結(jié)晶技術(shù)又發(fā)展了共晶合金。由于高溫合金粉末冶金技術(shù)的發(fā)展，還可以將一般難以變形的高性能鑄造合金轉(zhuǎn)為變形合金。
三、 高溫合金的組織和相
對(duì)高溫合金性能要求，總的來說必須具有良好的熱穩(wěn)定性、熱強(qiáng)性和使用條件下的長(zhǎng)期組織穩(wěn)定性。因此，必須根據(jù)不同的使用要求，合理選擇基體，審慎進(jìn)行合金化，并通過一定的工藝和熱處理制度得到必要的組織和性能。高溫合金的強(qiáng)化途徑有固溶強(qiáng)化、時(shí)效沉淀強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化，此外還有氧化物彌散強(qiáng)化。高溫合金性能主要取決于合金成份和它的組織結(jié)構(gòu)。組織中特別重要的是析出相的類型、結(jié)構(gòu)、形狀、大小、數(shù)量和分布情況等。
四、 高溫合金在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)各部位上的應(yīng)用及特點(diǎn)
由于燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，各部位溫度和受力情況等，差別較大，因此對(duì)材料的要求和選用就各不相同。
4.1燃燒室用高溫合金
燃燒室所受的機(jī)械應(yīng)力較小，但熱應(yīng)力較大，對(duì)材料的要求主要有：高溫抗氧化和抗燃?xì)飧g性能；足夠的瞬時(shí)和持久強(qiáng)度；良好的冷熱疲勞性能，良好的工藝塑性（持久，彎曲性能）和焊接性能；合金在工作溫度下長(zhǎng)期組織穩(wěn)定。
4.2 導(dǎo)向葉片用高溫合金
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，所受的機(jī)械負(fù)荷并不大。通常由于應(yīng)力引起的扭曲、溫度劇烈變化引起的裂紋以及過燃引起的燒傷，使導(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；如用鑄造合金，則要求具有良好的鑄造性能。
4.3 渦輪動(dòng)葉片用高溫合金
渦輪工作葉片是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上最關(guān)鍵的構(gòu)件之一。雖然工作溫度比導(dǎo)向葉片要低些，但是受力大而復(fù)雜，工作條件惡劣，因此對(duì)渦輪葉片材料要求有：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。
4.4 渦輪盤用高溫合金
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。為此對(duì)渦輪盤材料要求有：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)要小，無(wú)缺口敏感性，較高的低周疲勞性能。
五 、高溫合金的發(fā)展趨勢(shì)和新技術(shù)
為滿足新一代的燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)高性能材料的需要，除在定向凝固鑄造技術(shù)和單晶鑄造技術(shù)等方面繼續(xù)發(fā)展以外，粉末高溫合金技術(shù)和新型的抗高溫氧化、抗燃?xì)鉀_刷防護(hù)涂層技術(shù)也得了廣泛的應(yīng)用。
5.1 粉末高溫合金技術(shù)
FGH51粉末高溫合金是采用粉末冶金工藝制備的相沉淀強(qiáng)化型鎳基高溫合金。該合金γ相的體積分?jǐn)?shù)為$,-左右，其形成元素的原子分?jǐn)?shù)為50%左右。合金盤件的制造工藝路線是采用真空感應(yīng)熔煉制取母合金，然后霧化制取預(yù)合金粉末，進(jìn)而制成零件毛坯。與同類鑄、鍛高溫合金相比，它具有組織均勻、晶粒細(xì)小、屈服度高和疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前650度工作條件下強(qiáng)度水平最高的一種高溫合金。該種高溫金主要用于高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，如渦輪盤和承力環(huán)件等。
5.2 新型涂層技術(shù)
要提高燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片零件工作溫度和延長(zhǎng)其壽命，對(duì)防護(hù)涂層，特別是在可能熱腐蝕條件下工作的涂層提出了苛刻的要求。傳統(tǒng)的擴(kuò)散鋁化物涂層和滲鋁硅涂層已經(jīng)不能滿足高壓渦輪葉片抗高溫氧化和抗高溫燃?xì)飧咚贈(zèng)_刷的工作要求，只能用于低壓渦輪導(dǎo)向器和整流支柱表面的保護(hù)。兩種新型涂層等離子噴CoCrAlSiY/ZrO2剃度涂層和電子束CoCrAlSiY/ZrO2剃度涂層已經(jīng)在燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片上得到了應(yīng)用，由于具有最佳成份的厚度，既滿足了葉片的工作條件要求又大大增加涂層與葉片基材的結(jié)合強(qiáng)度，極大地提高了葉片的使用壽命。
在目前的使用中，等離子噴涂CoCrAlSiY/ZrO2涂層主要應(yīng)用于高壓渦輪導(dǎo)向器上，而電子束CoCrAlSiY/ZrO2涂層主要應(yīng)用于高壓渦輪動(dòng)葉表面。等離子噴涂CoCrAlSiY/ZrO2剃度涂層是沿高溫合金基體至涂層表面的厚度方向上，ZrO2含量逐漸增加，CoCrAlSiY 含量逐漸減少，表現(xiàn)出涂層成份剃度化分布，剃度涂層層與層間無(wú)明顯的成份突變，組織呈連續(xù)變化，大大提高了涂層與基材的結(jié)合強(qiáng)度。
該種涂層最大厚度可達(dá)180μm，可降低100~150度的工作溫度。電子束:剃度涂層是通過制備一定直徑的靶材，當(dāng)電子束射擊靶材時(shí)，通過靶材中的元素蒸發(fā)和真空室中連續(xù)供給氧氣的技術(shù)，使金屬Zr和Y 原子在CoCrAlY涂層表面形成在Y2O3中穩(wěn)定的ZrO2涂層。涂層成份的變化通過控制電子束噴涂設(shè)備的功率來調(diào)整。該種涂層最大厚度可達(dá)120μm。
可以預(yù)見，今后將會(huì)有更多的不同元素組成的涂層應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件上，這樣就可以大大提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，滿足不同用途燃?xì)廨啓C(jī)的使用要求。
六 、現(xiàn)有水平及發(fā)展趨勢(shì)
美國(guó)在20世紀(jì)90年代推出了一些新型鎳基合金，Haynes242,230,214和556等。新型Inconel718. 合金已用于美國(guó)F-117飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管蜂窩夾芯板，該蜂窩夾芯板用超塑性成形擴(kuò)散連接加工而成，能耐高溫、壓力和聲壓。
Haynes242為Ni-Mo-Cr時(shí)效硬化合金，具有較高的強(qiáng)度和塑性、良好的抗氧化性和低熱膨脹系數(shù)，可不用涂層防護(hù)，目前這種合金制成的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件現(xiàn)已進(jìn)入試車階段，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)形件和件。Haynes230成份Ni-22%Cr-14%W2%Mo，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室部件和密封件等。Haynes214的成份為Ni-16%Cr-4.5% Al-13%Fe-Y，它是一種優(yōu)良的抗氧化材料，用于蜂窩密封件時(shí)，其性能為Hastelloy的8倍。Haynes556為Fe-M-Cr-Co合金，為用于高溫合金的新型焊接材料，主要也用于發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件。
美國(guó)為節(jié)約短缺的戰(zhàn)略元素，由NASA的劉易斯研究中心、加州大學(xué)和聯(lián)合技術(shù)研究中心共同研制成功一種具有優(yōu)異性能的鐵基高溫合金，成份是20%Cr20%Mn 和3.2%C，其余為Fe，其組織特征是含有成排的碳化物。該合金性能可與鎳基合金MAR-M200相匹敵。
俄羅斯在變形高溫合金方面發(fā)展了一系列鎳基合金，Ⅱ222為Ni-Cr-Fe-Mo合金，在800度下抗拉強(qiáng)度為400Mpa。Ⅱ698在750度100小時(shí)持久強(qiáng)度為392Mpa，用于制造模鍛渦輪盤。Ⅱ868為NI-Cr-W熱穩(wěn)定合金，在700度條件下的抗拉強(qiáng)度為510-560Mpa。
國(guó)外在鑄造和粉末冶金高溫合金方面也研制了大量新型合金，用于制造渦輪盤和殼體等，如鎳基鑄造合金（Ni-Cr-Fe合金）用于制造氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，在超低溫下抗拉強(qiáng)度為1200Mpa，在800度下抗拉強(qiáng)度仍為600Mpa。BMA-6抗拉強(qiáng)度大于14000Mpa，用于制造氫泵。
近年來單晶高溫合金的研究普遍展開，多種單晶合金不斷問世，現(xiàn)已發(fā)展到第三代，新材料有PWA1487和MCZ-CMX-4等。此外新的定向結(jié)晶高溫合金作為高溫合金的一個(gè)發(fā)展方向，近期發(fā)展較快。
美國(guó)在高溫合金的研究應(yīng)用方面一直處于領(lǐng)先地位，研制成功的Inconel718鎳基合金已在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用。Inconel718 的產(chǎn)量在美國(guó)高溫合金中已占第一位。為滿足航天器結(jié)構(gòu)及飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的高性能要求，美國(guó)不斷開發(fā)新型高溫合金材料，如Haynes556等。
日本在鎳基單晶高溫合金（如TiMS556）、鎳基超塑性高合金（如TMP-3）和氧化物晶粒彌散強(qiáng)化高溫合金（如TMO-2）方面取得了較大的成功，上述3種鎳基合金的研究采用了計(jì)算機(jī)合金設(shè)計(jì)。其中TMS26 單晶合金葉片在1040度和137Mpa 下的蠕變斷裂壽命超1000小時(shí)。
MTO-Z等晶粒彌散強(qiáng)化合金的高溫強(qiáng)度比單晶合金還高得多。英國(guó)較早地開展了高溫合金的研究和應(yīng)用，形成自已的一系列高溫合金體系，如Nimonic 系列等。近年來也不斷推出新型號(hào)的合金材料，如國(guó)際鎳公司發(fā)展的低膨脹系數(shù)合金4005（42Ni-29.5Fe-18Co-6Al-3Nb-1.5Ti）等。合金發(fā)展的一個(gè)主要特點(diǎn)是日益提高加入合金元素的總量。
我國(guó)正在開發(fā)一種用于680-700度盤件生產(chǎn)的新型Inconel718（中國(guó)牌號(hào)GH4169）合金。該改型合金基于Ni-19Cr-18Fe-3Mo-B，W(NB)較高，為5.2%-5.5%Ni+Ti+Al摩爾分?jǐn)?shù)控制在6.5%-7.5%范圍內(nèi)，(Al+Ti)/Nb 原子比控制在1.1-1.4范圍內(nèi)，w（W）1%-2%為增強(qiáng)固溶強(qiáng)化效果，有時(shí)添加低含量的Co，一定含量的P作為該新型合金的晶界強(qiáng)化元素。
該改型718合金的科研開發(fā)目的在于提高合金性能以得到高質(zhì)量特別是更長(zhǎng)的應(yīng)力斷裂壽命及提高650-700度的溫度特性。
目前改型718合金的目標(biāo)是作為700度的盤件材料。其改變?nèi)缦拢海?）高溫強(qiáng)度（例如700度）特別是應(yīng)力斷裂壽命和蠕變性能必須與傳統(tǒng)Inconel718在650度時(shí)的性能相同；（2）調(diào)整主要強(qiáng)化元素Nb,Ti，Al（沒有添加貴重元素Ta），同時(shí)保持γ1和γ2沉淀強(qiáng)化特性；（3）加入少量固溶強(qiáng)化元素，例如W和Co，但Co 含量應(yīng)盡可能控制得低；（4）P作為一種新的晶界強(qiáng)化元素加入到合金中。
另一種我國(guó)自主研制的γ沉淀硬化鎳基高溫合金GH4133(GH33A)，w(Nb)1.15%-1.65%，已生產(chǎn)20多年，廣泛應(yīng)用于700度的各種噴氣發(fā)動(dòng)盤件上。為進(jìn)一步提高持久（蠕變）強(qiáng)度和斷裂韌性，采用加Mg 微合金化，增強(qiáng)晶界強(qiáng)化效應(yīng)，發(fā)展和生產(chǎn)了GH4133B合金，目前我國(guó)民航機(jī)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤,燃?xì)廨啓C(jī)都使用了該合金。
燃?xì)廨啓C(jī)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代的發(fā)電、航空航天、船舶等領(lǐng)域，燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)水平的高低已成為一個(gè)國(guó)家科技水平、軍事實(shí)力的綜合國(guó)力的重要標(biāo)志之一。通過分析目前世界先進(jìn)發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)各主要部件的使用材料，及對(duì)未來下一代燃?xì)廨啓C(jī)使用材料的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行討論，可以有效把握和促進(jìn)國(guó)內(nèi)當(dāng)前燃?xì)廨啓C(jī)制造用材料的開發(fā)和研究。
