用于先进的工业燃气轮机(IGT)的镍基高温合金材料技术

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Stephen J. Balsone

GE Gas Turbines, LLC

P.O. Box 648; Greenville, SC 29602-0648, USA

关键词：镍基，高温合金，燃气轮机，熔模铸造，钢锭熔炼，锻造

摘要：工业发电和航空发动机的所有燃气轮机的燃烧温度在过去的三十年里有所提高。最近，航空发动机的温度提高速率已经变慢，但工业燃气轮机（IGT）的温度提高速率并未变慢。因此，这两类燃气轮机的材料温度性能要求有所重合。多年来，军用和商用航空发动机的高性能要求推动了先进材料和工艺的发展。由于功率、效率和可靠性的要求持续提高，目前许多这一类的高温材料正用于IGT。已经开发成功定向凝固和单晶镍基高温合金用于熔模铸造的高温燃气通道部件，并将尺寸增大到IGT部件所需的零件尺寸，但是在可生产性、缺陷公差和维修等方面仍然存在重大挑战。在钢锭熔炼、浇铸、锻造和检验方面取得重大进展后，变形镍基高温合金，例如706合金和718合金，正用于IGT转子结构中。本文将讨论镍基高温合金在IGT中的应用，特别强调生产大型IGT高温燃气通道及转子部件所需的技术发展。从航空发动机大小的零部件扩大到大型IGT尺寸的零部件的过程，引起了独特的材料发展和工艺挑战。

1 引言

自从二十世纪七十年代初以来，为电站生产的大型、陆地的IGT的功率和效率都持续提高。这种提高很大部分归功于高温结构材料的引入。在过去的30年里，这类先进材料的使用导致燃气轮机的燃烧温度从982℃（1800℉）提高到1427℃（2600℉）以上。燃烧温度每增加10℃（50℉）,燃气轮机联合循环的效率提高大约1％。效率提高1％，对一个打算以最低成本给用户输送电力的电站生产商而言，意味着节约了数百万美元。

镍基高温合金是为高温、高强度结构应用而选择的合金，已经形成供IGT高温燃气通道部件，如涡轮叶片、喷嘴和壳体的标准。许多这一类熔模铸造镍基高温合金来自于为商用和军用航空燃气轮机而开发的航空发动机合金。此外，高强度变形镍基高温合金，例如706合金和718合金，已经取代GE IGT转子中应用的合金钢。二十世纪80年代后期，706合金作为IGT镍基高温合金锻件首先得到生产应用。1995年引入第一个718合金的IGT锻件。

除了熔模铸造和变形高温合金之外，为IGT应用的其它高温材料也处于生产或正在开

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发的阶段。高温涂层，例如抗氧化和抗腐蚀的金属涂层，以及热防护的陶瓷涂层，正在形成用于高温燃气通道和燃烧室金属构件的标准。陶瓷基体复合材料正在开发应用于一些高温部件，例如涡轮壳体、燃烧室衬里和涡轮喷嘴。本文将集中介绍为先进的IGT应用而开发和引入的镍基高温合金技术。

2 镍基高温合金材料及工艺的最新进展

2.1 叶翼应用

过去几十年里，GE公司先进的叶翼合金的开发是从多晶的镍基高温合金，如U500、U700和738合金发展，然后再是定向凝固的（DS）GTD－111TM。GE公司正在生产使用的最先进的DS镍基高温合金是GTD-444 TM,它是用于航空发动机的单晶（SX）Rene’N4合金的DS改型。图1显示了IGT叶翼合金的发展示意图，标注的使用温度是首次引入时的结果。注意图1显示了先进的IGT叶翼合金两种发展途径。一种途径是按照铸造镍基高温合金的发展，对于后级叶片的应用需要简单冷却或无内部冷却。第二种途径显示了SX Rene’N5的引入。该合金是为航空发动机开发的第二代（含铼）单晶镍基高温合金。在GE最先进的IGT中，Rene’N5已经为IGT用作有复杂内部冷却设计的第一级叶片以及第一级喷嘴和壳体。表1列出了这些重要的IGT熔模铸造镍基高温合金的合金成分。

图1 IGT叶片合金的演变显示温度性能的提高

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表1.IGT铸造镍基高温合金的化学成分

2.2 DSC(定向凝固)和SX（单晶）合金

目前IGT使用中的熔模铸造镍基高温合金主要来自能满足商用和军用航空燃气轮机迫切需要的高性能要求而开发的航空发动机合金。然而，对于引入这些用于IGT高温燃气通道内部的航空发动机合金提出了重点的开发性挑战。图2 为GE F级燃气轮机第一级涡轮叶片与一个典型的航空发动机涡轮叶片进行的比较。这个第一级涡轮叶片是由GTD－111TM制成的定向凝固（DS）镍基高温合金叶片。该合金由Rene’80演变而来，是专门开发用来满足IGT长寿命运行的性能要求的合金。这个第一级叶片与航空发动机叶片相比，零件尺寸增加10倍以上，零件重量增加20倍以上。这类DS镍基高温合金叶片的长度达到76cm（30in），重量达到18kg（40lb）。在最先进的IGT中，它们被设计制造成具有复杂内部盘旋结构的冷却通道。它们在制造时有非常严格的尺寸公差，检验和验收标准目前已经接近航空发动机的要求。

图2 IGT第一级涡轮叶片同典型的航空发动机涡轮叶片的尺寸比较

关键工艺技术的开发需要扩大到用于IGT的镍基高温合金的熔模铸造。DS和单晶(SX)熔模铸造炉应扩大到能生产IGT叶片的尺寸和重量。模具材料和模具结构的改进要求在DS和SX浇铸拉晶工艺过程中能保持大量的熔融金属。为了减小型芯变形和满足严格的尺寸公

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差,陶瓷型芯经过改进提高了高温强度。当镍基高温合金从航空发动机应用到适应于IGT应用时,对于合金的选择和化学成份的调整这些工艺考虑也是重要的。合金化学成份的调整可以防止在大型IGT零件中形成与熔炼有关的缺陷,例如黑斑、疏松和热裂纹。此外，通过调整微量的合金元素能够控制晶界强度。为了改善大尺寸铸件的合金可铸性和提高铸件收得率而进行的合金化学成份变化，必须与坚固的、长寿命服役的IGT金属构件所要求的合金力学性能和抗环境介质性能相平衡。这些材料和工艺技术的开发与GE的熔模铸造战略供应商共同合作实施。图3显示GE H级燃气轮机第三级和第四级由DS GTD-444TM镍基高温合金制成的涡轮叶片。DS GTD-444TM合金的开发是将一种航空发动机合金转变为IGT应用的合金改进的好例子。DS GTD-444TM是第一代SX镍基高温合金Rene’N4的一种定向凝固的改型，当设计要求超过DS GTD-111TM的材料性能时，选择了SX Rene’N4合金。因为它具有非常好的高温强度。对合金晶界元素的调整产生出一种SX Rene’N4的改型，它可以作为用于IGT具有改进大型零件可铸性的一种DS合金。与DS GTD-444TM相比，这种可铸的高温DS镍基高温合金具有改进的蠕变和疲劳性能。1999年DS GTD-444TM首次被引进于IGT的制备生产中。

图4为GE H级燃气轮机第一级由SX Rene’N5制成的叶片。这种镍基高温合金直接来自航空发动机的应用,目前在GE H级和FB级燃气轮机生产线上，用于生产第一级叶片和第一级喷嘴和壳体。GE在IGT生产中第一次使用了SX镍基高温合金。在IGT生产中引入SX镍基高温合金需要进行重大的材料和工艺开发，包括SX熔模铸造设备和技术，陶瓷模型和型芯开发，以及铸后连接，加工，涂层和检验技术，以便制造出这些非常复杂、高性能的叶翼。

图3 由DS GTD-444TM制成的第三级和第四级IGT叶片

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图4 由SX Rene’N5制成的第一级IGT叶片

2.3 高梯度浇铸技术

高梯度这个词用来描述在操作良好,大的热梯度下用于凝固铸件的任何一种熔模铸造技术。这项技术使铸造材料具有改进很大的微观组织有很大的改进，改善了化学成份的均匀性。在传统的DS或SX熔模铸造工艺中,铸模的热量通过传导到一块激冷板和辐射到周围环境中去,包括在铸模拉晶过程中从炉子底部开放式的隔板上损失的能量。在高梯度铸造工艺中，铸模热量是将铸模浸入冷却介质，直接从炉子的铸模拉晶中去除的。高梯度冷却介质通常是液态金属，如铝或锡的熔池。

高梯度浇铸技术有可能通过消除与熔炼有关的缺陷,例如在复杂的叶翼形状中形成的黑斑，从而提高铸件的产量和生产能力。此外，高梯度浇铸生产出的铸造合金，其显微组织明显细化，通常用初生枝晶臂的间距来测量。这种显微组织的细化也伴有铸造显微疏松的减小，共晶相体积分数的减少以及碳化物形态和分布的改善。铸造合金的化学成分均匀性得到改善，这就使得镍基高温合金在热处理过程中能够更加充分地固溶，从而明显提高高温蠕变和疲劳性能。这种通过高梯度浇铸工艺取得的显微组织细化和化学成分均匀性的改善，在熔模铸造技术方面,既能提供逐步增加的收益,又能提供大的技术进步。通过高梯度浇铸取得改进的材料性能具有重要的设计优点。例如无需重新设计而实现部件升级，灵活地平衡更高的部件性能与延长部件寿命之间的矛盾，并且有可能铸造出更奇特、高性能、难铸造的镍基高温合金。此外，直接的材料替换有可能降低成本，也就是说，通过高梯度浇铸工艺改善比较便宜的合金的性能，在性能水平相当的条件下用比较便宜的合金代替比较昂贵的DS或SX镍基高温合金。

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2.4转子应用

表2列出许多重要的IGT转子合金的化学成份。当IGT性能提高时，转子设计会要求变形镍基高温合金具有更高的强度和耐高温性能。706合金和718合金具有比A286合金，M152和Cr-Mo-V钢更高的强度和抗蠕变性能。然而，IGT涡轮转子的尺寸和结构已经在大型镍基高温合金铸锭的熔炼/浇铸以及开坯/锻造成IGT叶轮和隔圈方面提出了重大的技术挑战。图5显示GE FB级燃气轮机第一级叶轮锻件（加工成半成品用于无损检测反射声波所需的形状）同一个典型的航空发动机涡轮盘锻件的尺寸比较。大型IGT的叶轮和隔圈所需的典型镍基高温合金铸锭毛重大于14,515kg(32,000lb)。与航空发动机工业不同，IGT工业用一个钢锭只生产一个IGT叶轮或者隔圈。由于生产IGT锻件所需的是大尺寸钢锭和接下来的大规格坯料，在坯料阶段存在粗晶显微组织，因此无损探伤不能检测到与熔炼有关的内部缺陷。

表2 镍基高温合金（706和718）转子合金的化学成分

一个单独的与熔炼有关的缺陷，例如白斑或者黑斑区域，有可能在加工到如图5所示最终超声波检测所需形状的锻件时，经过最后的无损检测而报废了这个零件。通过同高温镍基合金熔炼和锻造的战略供应商合作，GE已经成功开发了大型镍基高温铸锭的熔炼/浇铸技术，开坯/锻造工艺以及无损检测技术，用于生产FB级和H级燃气轮机大型的718合金叶轮和隔圈。

图5 一个IGT第一级叶轮锻件（加工成超声波检测形状）和一个典型航空发动机涡轮盘铸

件的尺寸比较

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GE在20世纪70年代中期生产了第一个706镍基高温合金的IGT锻件。这些锻件是用直径大约61cm（24in），重量约为5,443kg(12,000磅),经过两次熔炼的铸锭制成的。在20世纪80年代中期,对熔炼/浇铸和开坯/锻造工艺进行了改进,产品放大到可用于生产F级燃气轮机以代替CrMoV钢转子。该镍基高温合金锭直径从76cm增加到102cm(30到40in),重量从9,072kg增加到14,968kg(20,000到33,000lb)。三联冶炼工艺（VIM-ESR-VAR）被证明是适用于706合金的，并且在二十世纪80年代后期开始首次用于生产IGT的镍基高温合金锻件。第一个718镍基高温合金的IGT锻件由GE在1995年用于制造H级燃气轮机。该钢锭直径69cm（27in），大于迄今为止所生产的任何718合金锭。自二十世纪60年代开始，718合金就是一种广泛用于航空发动机盘件生产的结构合金。为了生产出IGT尺寸所需要的718合金锭，已经成功应用了类似用于航空发动机718合金盘件和IGT706合金叶轮的三联冶炼工艺。通过大量使用优化最终锻件整体显微组织的过程模型，使开坯和锻造工艺得到放大。

为了满足FB级燃气轮机转子尺寸的要求，镍基高温合金的熔炼/浇铸技术必须再次放大。为得到合适的锻件毛重，生产的钢锭直径达到91cm（36in），重量从12,701kg到14,968kg(28,000到33,000lb)。这是通过三联冶炼工艺（VIM-ESR-VAR）过程控制的关键性改进才得以实现的。严格控制VAR熔炼步骤，对防止产生与熔炼有关的缺陷非常关键。为了优化VAR工艺，大量使用过程模型。优化关键的工艺参数可以消除化学成份偏析和黑斑的形成，也就是在VAR炉自耗成锭过程中，应严格控制稳定的自耗凝固速率，并且在结晶锭中保持浅的熔池深度。通过工艺控制和设备的改进，稳定VAR炉上坩埚壁位置结晶锭锭冠，有助于消除白斑。随着H级燃气轮机的诞生，通过大量使用优化最终锻件整体显微组织的锻造过程模型，使开坯和锻造工艺得到放大。锻造这种尺寸的叶轮和隔圈需要非常大的锻压机。控制锻造参数，例如预热温度、变形速率、总变形和锻后热处理是非常关键的。

2.5 熔炼/浇铸技术

用于先进IGT转子的设计要求将超过718合金的材料性能，因此正在考虑研制新的变形镍基高温合金。辨别和开发具有良好高温性能的、有前途的合金候选者的关键，是在长期用于航空发动机生产的变形镍基高温合金和粉末冶金镍基高温合金之间进行成本/收益的权衡。如果IGT生产中改变为采用粉末冶金镍基高温合金，则需要在生产基础建设和大型尺寸IGT产品的粉末合金工艺技术的开发方面进行大量投资。然而,一种有希望的新型镍基高温合金熔炼/浇铸工艺――称为清洁熔炼成核浇铸（CMNC），正在由Allegheny-Teledyne Allvac,Monroe NC和GE按政府合同共同开发，这项工作有可能延迟向粉末冶金工艺转移的需求。CMNC正在被开发成强化的，熔炼/浇铸工艺,可以生产没有与熔炼有关的缺陷的大直径镍基高温合金锭。CMNC对于熔炼/浇铸高合金化(高强)的,易偏析的镍基高温合金成份,有可能提供其所需要的工艺适应性和发展潜力,否则这类材料将需要采用粉末冶金工艺。

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CMNC使用一个冷却感应导向器(一个水冷铜喷嘴)从ESR炉的底部浇铸熔融金属。由于喷嘴不含陶瓷,所以CMNC能够浇铸出清洁的、无夹杂的ESR合金。熔融金属流然后被雾化，半固态（高的液气比率）喷雾直接对准注满一个锭模。由于凝固颗粒的成核发生在喷雾时，半固态的液体在模子中形成一个均匀的、细晶粒的钢锭。由于冶炼速度比现行VAR工艺快3到10倍，CMNC还有可能减少镍基高温合金熔炼/浇铸的成本，而且无需三联冶炼工艺中的VAR步骤，并可能用比现行所需工艺更少的步骤去锻造所得到的细晶粒钢锭。

3.结束语

为了提高IGT的功率和效率，一直在提高燃烧温度，并对燃气轮机材料的温度性能提出了更高的要求。在过去十年里，燃烧温度已经提高约93℃（200℉）；联合循环的效率已经提高大约4％。材料和工艺的改进使材料性能的提高能够与先进IGT的寿命和可靠性的改进相适应。IGT燃烧温度和效率的持续提高需要持续进行材料和工艺技术的开发。镍基高温合金是过去进步技术的关键，也是IGT将来发展的关键。应用于高温燃气通道的铸造镍基高温合金将需要更高的温度强度和更好的抗氧化/耐腐蚀性能。更大的零件尺寸和带有精致的内部冷却系统的复杂设计将需要新的熔模浇铸技术，用以生产无缺陷、高性能的DS和SX镍基高温合金。对于IGT转子的应用，未来设计要求将需要一种比718合金更强的新型镍基高温合金，该合金能够用铸造＋变形的生产形式生产，并能生产出大尺寸的没有与熔炼有关的缺陷的零件。现在和未来对镍基高温合金材料和工艺技术的开发一直在进行，相信当新设计要求需要世界上最好的材料时，镍基高温合金将准备满足高温应用的最大挑战。

（宝钢集团上海五钢有限公司 王海瑛 译 金鑫 校）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6thm.html