一文了解|重型燃气轮机核心部件材料的研究进展与未来展望

导语

随着科技强国战略的深入实施，我国重型燃气轮机行业迎来了自主创新和发展的关键阶段。作为燃气轮机的核心组成部分，材料的性能直接影响着整个机组的效率和可靠性。近年来，我国在重型燃气轮机主要部件用材方面取得了显著进展，包括涡轮叶片、燃烧室、轮盘和压气机叶片等材料的研究与应用。本文将详细介绍这些关键部件材料的发展现状及趋势，展望新一代高温材料与智能制造技术在燃气轮机领域的应用前景，以期为相关产业发展和技术创新提供有益参考。

涡轮叶片材料

涡轮叶片材料是重型燃气轮机的关键零部件，其基体材料需要具有优异的持久蠕变强度和疲劳强度、良好的抗热腐蚀性能和长期组织稳定性，其中抗热腐蚀性能的好坏是决定燃气轮机叶片使用寿命的重要指标。随着燃气轮机进气温度的不断升高，对叶片材料的性能要求也在不断提升。

图1 进气温度和材料高温性能的发展过程

早期燃气轮机叶片材料主要采用航空应用的S816、S590钢，后来逐渐发展为Ni基高温合金。目前，所有燃气轮机涡轮动叶片都采用Ni基合金真空精密铸造而成，精密铸造技术的快速发展也促进了空心叶片的内冷却技术更快的进步。表1列出了重型燃气轮机涡轮叶片用典型Ni基高温合金的主要成分。

表1重型燃气轮机涡轮叶片用典型Ni基高温合金主要成分

GE公司的F级的1～3级动叶片均采用GDT-111合金，该合金是在Rene’80基础上发展的新型合金，采用定向凝固技术制造，并在叶片表面喷涂了热障涂层，使得使用温度在原有基础上提高了近28℃。我国在上世纪70年代参照IN738等合金形成了自己的高温合金产品系列，近几年中，沈阳金属所先后发展出了铸造多晶的M36、M38、M40、M38G合金、定向柱晶DZ38G和DSM11合金、单晶DD8和DD10等抗热腐蚀涡轮叶片材料。

涡轮静叶片的基体材料与动叶片一样，也采用了Ni基合金，喷嘴比叶片需有更强的抗高温蠕变强度，目前GE公司使用的主要是FSX-414和GTD-222。为提高其抗腐蚀、耐高温性能，除了使用性能更好的材料外，GE公司同时开发了真空等离子喷涂（VPS）技术，使燃气涡轮进口温度提高至1430℃，有效地解决了F级燃气轮机材料的耐高温难题。

目前，在E/F级重型燃气轮机的涡轮叶片上采用高温合金，表面喷涂的热障涂层与空气冷却技术均达到极限，这可保证在燃气初温1350℃时叶片的总寿命达到十万小时。而“先进级”（G/H级）与“当代级”（E/F级）最大差别是釆用蒸汽作为燃烧室和涡轮叶片的冷却工质，这使得燃气温度提高了近100℃，即达到1450℃的水平。欧、日美等国家正在探索“未来级”（燃气初温达1500℃～1700℃）燃气轮机的新一代高温材料与冷却技术。

燃烧室材料

燃气轮机燃烧室材料的研究进展主要集中在提高火焰筒材料的高温耐腐蚀和耐氧化性能，同时保持良好的可焊接性和加工性。火焰筒是燃烧室中最主要的高温部件，其对材料的要求比叶片低，但需要具备较高的耐热腐蚀性能和高温稳定性。

目前，燃烧室材料主要采用高温合金，如Inconel600和Haynes188等合金。Haynes188合金是一种钴基高温合金，具有更高的抗热腐蚀性能，可以提高使用温度约55℃。然而，目前国内外制造火焰筒的主要材料仍是Hastelloy-X和RA333合金（国产化牌号GH4333）。

GE公司已经开始应用更好的Nimonic263合金用于火焰筒制造，该合金的耐热腐蚀性能更优。此外，国内采用的GH222合金在航空领域的应用效果也较好，但尚未广泛应用于燃气轮机燃烧室材料。

总体来说，燃烧室材料的研究进展主要集中在开发和应用具有更高抗热腐蚀性能的高温合金，以提高燃气轮机燃烧室材料的使用温度和寿命。

轮盘材料

随着燃气轮机技术向更高效率和更高温度的方向发展，对轮盘材料的要求也在不断提高。燃气轮机轮盘作为承受高温、高压和复杂应力的关键部件，需要材料具有较高的力学性能、良好的持久蠕变强度和疲劳强度。轮盘的重量大，且锻造难度较高，因此材料的选择和制备尤为关键。

早期，燃气轮机轮盘材料主要采用A286合金（国内牌号GH2132），这是一种奥氏体Fe基高温合金，适合在650℃下服役。随着技术的发展，对轮盘材料的使用性能有了更高的要求，逐渐转向使用M-152合金。

在国内，批量生产的轮盘材料有GH2036、GH2132、GH4133、GH4698、GH4169等合金，其中后三种主要用于航空发动机轮盘。GE公司现在采用的IN706合金与IN718合金类似，但IN706合金含合金元素比IN718低，可以制作较大的轮盘。

IN706合金对应国内牌号为GH2706，是一种Ni-Fe-Cr基沉淀强化型合金，使用温度在550℃～650℃。这种合金是GH4169合金的改型合金，降低了Ni、Cr、Nb元素的含量，并去除了Mo元素，适当增加了Ti和Fe含量，从而降低了合金的生产成本，减少了元素偏析。在700℃以下具有较高的强度、良好的抗氧化和耐腐蚀性能。

总体而言，轮盘材料的研究进展主要集中在开发和应用具有更高力学性能、持久蠕变强度和疲劳强度的高温合金。

压气机叶片材料

随着燃气轮机技术的发展，对压气机叶片的性能要求也在不断提高。压气机叶片是燃气轮机的关键部件之一，其材料需要具有高韧性、良好的抗疲劳和抗腐蚀性能，同时还需要具有良好的焊接性能和成型加工性能。

早期，压气机叶片一般采用AISI403（国内牌号1Cr12Mo）/AISI403Cb（国内牌号1Cr12MoNb）或17-4PH不锈钢，在温度较高的末几级常采用含Nb的改进型AISI403（国内牌号2Cr10MoVNbN）。上世纪80年代，为满足更高性能的需求，采用了沉淀硬化的马氏体不锈钢GTD-450。

国内根据GTD-450材料自主研制了牌号为Cr15Ni7Cu2MoNbVN的合金，相较于GTD-450，该合金具有更高的强韧性，常温力学性能好，综合性能优良，抗疲劳和抗腐蚀性能高，减震性好，焊接性能好，并具有良好的锻轧、模锻成型和机加工等工艺性能。

总体而言，压气机叶片材料的研究进展主要集中在开发和应用具有更高强韧性、良好的抗疲劳和抗腐蚀性能的高温合金。

未来展望

新一代高温材料与冷却技术的开发成为了当前燃气轮机材料和智能制造领域的重点研究方向。

在材料方面，未来的研究工作将集中在开发新一代高温合金、粉末冶金材料、金属基/陶瓷基复合材料等，这些新材料将能够承受更高的温度和更大的应力，从而提高燃气轮机的效率和可靠性。同时，为了进一步提高高温部件的抗氧化和抗热疲劳性能，需要开发更为先进的涂层技术，以保护材料免受高温环境的影响。

在智能制造方面，增材制造（即3D打印技术）也将逐渐应用于未来燃气轮机关键零部件的制造。这种技术可以实现复杂几何形状的快速成型，有助于设计结构的优化和复杂难以成型的部件的制造。同时，智能制造技术还可以提高生产效率，降低制造成本。

总的来说，未来的燃气轮机材料和智能制造技术将向着更高效率、更可靠性和更低成本的方向发展。通过新材料的开发和智能制造技术的应用，燃气轮机将能够满足日益增长的市场需求，并为能源和电力行业的发展做出更大的贡献。

参考文献

[1]彭建强, 张宏涛, 刘新新, 李宇峰. 重型燃气轮机压气机关键部件用材分析[J]. 东方汽轮机, 2023, (03): 56-60.

[2]帅三三, 李石磊, 玄伟东, 任兴孚, 屠挺生, 何磊, 王江, 任忠鸣. 重型燃气轮机涡轮叶片材料及制造技术研究进展[J]. 热力透平, 2022, 51 (03): 161-169.

[3]杨鑫, 郭鹏飞, 吕振家, 彭建强. 重型燃气轮机主要部件用材的发展及应用[J]. 汽轮机技术, 2022, 64 (04): 315-317.

[4]楊功顯, 張瓊元, 高振桓, 鞏秀芳, 楊照宏. 重型燃气轮机热端部件材料发展现状及趋势[J]. 航空动力, 2019, (02): 70-73.

大会介绍