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先进高温合金的战略应用

作者: 来源: 日期:2019-7-3 14:01:08

航空发动机被称为“工业之花”,是航空工业中技术含量最高、难度最大的部件之一。作为飞机动力装置的航空发动机,特别重要的是金属结构材料要具备轻质、高强、高韧、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等性能,这几乎是结构材料中最高的性能要求。

高温合金是能够在600℃以上及一定应力条件下长期工作的金属材料。高温合金是为了满足现代航空发动机对材料的苛刻要求而研制的,至今已成为航空发动机热端部件不可替代的一类关键材料。目前,在先进的航空发动机中,高温合金用量所占比例已高达50%以上。
自1956年第一炉高温合金GH3030试炼成功,迄今为止,我国高温合金的研究、生产和应用已历经60年的发展历程。60年的高温合金发展可以分为三个阶段[1]:
第一个阶段:从1956年至20世纪70年代初是我国高温合金的创业和起始阶段

本阶段主要是仿制前苏联高温合金为主体的合金系列,如:GH4033,GH4049,GH2036,GH3030,K401和K403等。
第二个阶段:从20世纪70年代中至90年代中期,是我国高温合金的提高阶段。

本阶段主要试制欧美型号的发动机,提高高温合金生产工艺技术和产品质量控制。
第三阶段:从20世界90年代中至今,是我国高温合金的全新发展阶段。

本阶段主要是应用和开发了一批新工艺,研制和生产了一系列高性能、高档次的新合金。
目前,我国的高温合金研究主要研究单位是钢铁研究总院, 北京航空材料研究院, 中国科学院金属研究所, 北京科技大学, 东北大学, 西北工业大学等, 主要生产企业有:中航工业、钢研高纳、炼石有色、抚顺特钢、高钢特钢和第二重型机械集团万航模锻厂(二重)等。在此基础上,我国已具备了高温合金新材料、新工艺自主研发和研究的能力。
高温合金由于其优异的耐高温性能,广泛的应用于航空工业,电力行业,石油化工行业,运输行业和燃气轮机行业。
1 在航空航天上的应用
在现代先进的航空发动机中,高温合金材料用量占发动机总量的40%-60%。在航空发动机上,高温合金主要用于燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘四大热段零部件;此外,还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件[2]。

燃烧室
燃烧室是动力机械能源的发源地。燃烧室内产生的燃气温度在1500~2000℃之间。因为其余的空间有压缩空气流动,所以燃烧筒合金材料的承受温度一般在800~900℃以上,局部达1100℃。因此,燃烧筒要求材料要具有高温抗氧化和抗燃气腐蚀性能,良好的冷热疲劳性能。
燃烧室使用的主要高温合金以镍基或钴基高温合金为主。例如第三代战斗机F100发动机选用Haynes 188钴基高温合金,F110,F404和F414发动机则选用Hastelloy X 镍基高温合金。但是随着飞机推重比的提高,对燃烧筒材料提出了新的要求。第四代战机燃烧筒主要是镍基高温合金并涂覆陶瓷热胀涂层,并且采用新的燃烧室结构,如F119和F135采用了浮动壁结构,而F136发动机采用了Lamilloy结构。到了第五代战机,多使用Lamilloy结构的高温合金、耐高温1482℃陶瓷复合材料和热胀涂层。因此,为了适应航空发动机新的推重比的要求,全新材料基体和制备工艺的高温合金急需研发出来[3]。
导向叶片
导向叶片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,会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。
铸造高温合金成为了导向叶片的主要制造材料。美国Howmet公司等多采用IN718C、PWA1472、Rene220以及R55合金作为导向叶片的材料。近年来,由于定向凝固工艺的发展,用定向合金制造导向叶片的工艺也在试制中;此外,FWS10发动机涡轮导向器后篦齿环制造采用了氧化物弥散强化高温合金[1]。
涡轮盘
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;良好的冷热和抗机械疲劳性能;线膨胀系数要小,无缺口敏感性,较高的低周疲劳性能。
粉末高温合金是现代高性能发动机涡轮盘的必选材料。1965年发展了高纯预合金粉末技术。美国P&WA(Pratt&Whitney Aircraft)公司首先开创了粉末高温合金盘件用于航空发动机的先河。1972年IN100粉末高温合金涡轮盘用于F100发动机上,开启了粉末高温合金的实际应用阶段。
我国的粉末高温合金的研究起步于20世纪70年代后期,在后续的发展过程中,根据国家型号需求,陆续开展了FGH95合金,FGH96合金,FGH97合金,FGH98合金和FGH91合金的研制。其中FGH95是目前强度最高的粉末高温合金,最高使用温度650℃,主要用于制备发动机的涡轮盘挡板以及直升机用涡轮盘。
目前在粉末高温合金领域,美国、俄罗斯、英国、法国、德国、加拿大、瑞典、中国、日本、意大利以及印度等国家均开展了研究工作,美国、俄罗斯、英国、法国、德国和中国等国家掌握了工业生产工艺,其中仅有美国、俄罗斯、法国和英国能独立研发粉末高温合金并建立了自己的合金牌号[1-4]。
涡轮叶片
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。
涡轮叶片用材料最初普遍采用变形高温合金。随着材料研制技术和加工工艺的发展,铸造高温合金逐渐成为涡轮叶片的候选材料。美国从20世纪50年代后期开始尝试使用铸造高温合金涡轮叶片,前苏联在60年代中期应用了铸造涡轮叶片,英国于70年代初采用了铸造涡轮叶片。而航空发动机不断追求高推重比,促使国内外自70年代以来开始研制新型高温合金,先后研制了定向凝固高温合金、单晶高温合金等具有优异高温性能的新材料。其中单晶高温合金材料成为目前主流的涡轮盘材料。
单晶高温合金是在等轴晶和定向柱晶高温合金基础上发展起来的一类先进发动机叶片材料。20世纪80年代初期以来,第一代单晶高温合金PWA1480、ReneN4等在多种航空发动机上获得广泛应用。80年代后期以来,以PWA1484、ReneN5为代表的第二代单晶高温合金叶片也在CFM56、F100、F110、PW4000等先进航空发动机上得到大量使用,目前美国的第二代单晶高温合金已成熟,并广泛应用在军民用航空发动机上。90年代后期以来,美国研制成功第三代单晶高温合金CMSX-10。之后,GE、P&W以及NASA合作开发了第四代单晶高温合金EPM-102。法国和英国也分别研制单晶高温合金,并实现了工程应用。近年来,日本又相继成功的研制了承温能力更高的第四、第五、第六代单晶合金TMS-138,TMS-162,TMS-238等[3]。
我国的单晶高温合金是由中航工业航材院于20世界80年代初率先开始研究的,并成功研制出我国第一代单晶高温合金DD4。90年代又成功研制了第二代单晶高温合金DD6,并广泛应用已多种型号的先进航空发动机上。此外,我国的第三代单晶高温合金主要有北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室研制的DD9与DD10、中国科学院金属研究所高温合金研究部研制的DD32、DD33 、中国科学院金属研究所研制的DD90;第四代单晶高温合金是由中国科学院金属研究所研制的DD22;第五代单晶高温合金为陕西炼石有色研制的含铼高温合金材料。这些材料的目前仅限于实验室研发.

随着以歼10B、歼15、歼16为代表的多款三代半战斗机陆续进入列装,WS-10发动机需求持续增长;随着国产大型运输机运-20的列装,大涵道比发动机也将进入量产,这将直接驱动航空发动机用高温合金的快速发展。为了提升高温合金材料技术,工信部在发布的《国家增彩制造产业发展推进计划(2015-2016年)》中明确要求突破高温合金等材料技术。为了满足我国航空发展对高温合金材料的要求,我们要在过去工作的基础上,继续进行高水平、高质量的高温合金材料的发展和研制工作,稳定现有体系产品的性能和质量,研究和探索工作温度超过1100℃以上的后继新高温材料,完善我国的高温合金体系。
2电力行业
电力行业是国民经济可持续发展的基础行业和先进工业。电力工业包括水电、煤电、气电、核电和新能源发电等方面。除水电外,无论是煤电还是气电和核电的发展都需要有相应的高温结构材料作为支撑,性能优异的耐热钢和高温合金材料成为电力工业发展的技术关键[5]。
煤电领域
火电机组有相当多的部分为超高压。高压蒸汽参数机组,而且随着蒸汽参数的进一步提高,对高温材料的要求越来越高。过热器和再热器是锅炉中工作环境最为恶劣的部件,承受的压力最大,温度最高,因此要求材料具有良好的抗蠕变性能,同时还要满足管子对蒸汽侧的抗氧化性能和对烟气侧的抗腐蚀性能要求。目前,我国火电主锅炉过热器管材主要是铁基高温合金GH2948.

核电领域
核电是一种安全、清洁、经济、可靠的能源。用核电替代部分化石燃料发电,不但可以将化石燃料保留下来长期使用,还有利于环境保护和减少大量的燃料运输。核电站的核心是反应堆,它是有堆芯、反射层、控制棒、堆容器和屏蔽层等组成。核工业用高温合金主要指反应堆用高温合金。高温合金主要用作压水堆蒸汽发生器传热管、元件格架和压紧弹簧等,以及高温气冷堆和部分快堆的过热器与再热器传热管零部件。

压水堆蒸汽发生器的传热管早期用18-8型不锈钢。但是因为奥氏体不锈钢对应力腐蚀敏感,后被耐热、耐蚀合金Inconel 600所代替。此后发展了Inconel 690 和 Incoloy 800 合金。关于这三种合金的抗腐蚀性能的优劣,目前看法尚不统一,所以都在应用,法国偏重与Inconel 690合金,德国多采用Incoloy 800 合金作传热管。我国泰山核电站的蒸发器传热管采用的是Incoloy 800合金,大亚湾核电站用的是Inconel 690合金。
高温气冷堆蒸汽发生器是螺旋管束型结构,装在预应力混凝土压力容器内侧。再热器和过热器的温度较高,传热管采用Incoloy 800 合金。蒸汽发生器和过热器的温度较低(450-340℃),传热管多采用2.25Cr-1Mo钢。
堆芯冷却管道是用定位格架和上下管座按设定的排列方式组装成燃料堆件或元件盒的。定位格架材料早起采用奥氏不锈钢,目前主要采用镍基高温合金。
3石油化工行业
开采石油和天然气,特别是深井开采,需要使用镍基高温合金。因为深井下工作环境恶劣,比如酸性环境,氯化物浓度高,有硫化氢气体,气体分压大,井下温度波动在0-218℃范围。因此,Inconel 718 合金在油气开采钻具上可用作注射阀、传统运转阀、气体升举阀、双制化学注射阀、安全阀等多种阀门,流体分流器采用Inconel 718C 铸造合金制备。Incoloy 925可制作XLD假阀、XLI气体升举阀、XLO-B阻尼阀,水压设备螺母等。Incoloy825可制作耐久打眼绳索、绳索管道、水压控制管线、水压设备套圈等。Incoloy 625可作水压设备管线等。Inconel 600 可作安全隔板等[5]。

烟气轮机是炼油厂催化裂化装置能量回收系统的核心机组。在生产过程中,约有4%-7%的原料油转化为焦炭,在再生器内燃烧,焦炭放出的热量除部分用于加热催化外,其余热量加热烟气从再生器放出,这种从再生器放出的烟气具有98-196kPa的压力和约650-750℃的温度,把大量高温高压烟气,引入烟气轮机,经膨胀作功后转化为轴功输出,驱动炼油厂空气压缩机或发电机组,以后回收这部分能量。
4运输工业
目前,内燃机车或汽车等民用运输工具使用的涡轮增加器选用的是细晶等轴晶高温合金叶片。内燃机机车主要是北车集团生产。在战车领域,目前世界上只有美国将燃气轮机作为主战坦克动力,美国M1型系列坦克均装配了小型燃气轮机作为动力,效率高。启动快、马力大[6]。
舰船动力装置使用大量高温螺栓。由于在海上长期工作,因此螺栓材料要经受由海盐成分加速的热腐蚀。另外由于螺栓还承受很大的拉应力,所以应力腐蚀是螺栓失效的重要因素。因此结构钢和合金钢螺栓多数不能直接长期用于舰船动力装置。而应选用抗海洋气氛腐蚀性能好、抗高温腐蚀性能好、抗松弛性能好的高温合金制作舰船动力装置用螺栓。可选的螺栓用高温合金有: GH132 ( A286 ) 、GH145 ( Inconelx750) 、GH751 ( Inconel751 ) 、GH169、GH33A、GH80A ( Nimonic80A ) 、GH90 ( Nimonic90 ) 、MP35N、GH159 ( MP159 ) 、R26、GH105( Nimonic105) 、GH242 等[6]。
5燃气轮机行业
燃气轮机具有热效率高、污染少、耗水少、易安装等优点,联合循环的燃气轮机组还能达到高达60%的热效率,因而燃气轮机在电力行业的应用越来越广泛。先进的材料是燃气轮机设计、制造技术的基础和保证条件,特别是燃气轮机热端部位的高温材料,没有先进的高温材料就不可能设计和制造出先进的燃气轮机。高温合金在燃气轮机材料中占有极其重要的地位,在燃气轮机燃烧室、过度导管、导向叶片、涡轮工作叶片以及涡轮盘等部件上都有着广泛的应用[8]。


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