先进燃气轮机材料和涂层P.W.Schilke GE能源集团
纽约州斯克内克塔迪县
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目 录
1 引言 ................................................................................................................................................................. 3 2 材料宗旨 ......................................................................................................................................................... 3 3 透平叶片和喷嘴 ............................................................................................................................................. 4
3.1 加工工艺 ............................................................................................................................................... 4 3.2 叶片材料 ............................................................................................................................................... 5
3.2.1 定向凝固合金——GTD-111叶片 ........................................................................................... 7 3.2.2 等轴叶片材料——GTD-111 .................................................................................................... 8 3.2.3 In-738合金叶片 ........................................................................................................................ 8 3.2.4 U-500合金叶片 ......................................................................................................................... 9 3.2.5 未来的叶片 ............................................................................................................................... 9 3.3 喷嘴材料 ............................................................................................................................................. 10
3.3.1 FSX-414喷嘴 .......................................................................................................................... 10 3.3.2 GTD-222喷嘴.......................................................................................................................... 10 3.3.3 N-155喷嘴 ............................................................................................................................... 10 3.3.4 未来的喷嘴材料和涂层 ......................................................................................................... 10
4 叶片涂层 ....................................................................................................................................................... 11
4.1 热腐蚀 ................................................................................................................................................. 11 4.2 高温氧化 ............................................................................................................................................. 13 4.3 铝化铂涂层 ......................................................................................................................................... 14 4.4 PLASMAGUARDTM 涂层 .................................................................................................................. 15 4.5 低温涂层 ............................................................................................................................................. 17 4.6 围带（shroud）涂层 .......................................................................................................................... 17 4.7 未来涂层 ............................................................................................................................................. 18 5 燃烧室硬件 ................................................................................................................................................... 18
5.1 燃烧室套筒 ......................................................................................................................................... 18 5.2 连接件 ................................................................................................................................................. 19 6 透平和压气机轮盘 ....................................................................................................................................... 20
6.1 透平轮盘工艺 ..................................................................................................................................... 20 6.2 透平轮盘合金 ..................................................................................................................................... 21
6.2.1 镍基合金706 .......................................................................................................................... 21 6.2.2 Cr-Mo-V合金 .......................................................................................................................... 22 6.2.3 12Cr合金 ................................................................................................................................. 22
7 其他转子部件 ............................................................................................................................................... 23 8 转子研发 ....................................................................................................................................................... 23 9 压气机叶片 ................................................................................................................................................... 23 10 汽缸 ............................................................................................................................................................. 25
10.1 未来的材料 .............................................................................................................................. 25
11 砂型铸件 ..................................................................................................................................................... 25 12 进气和排气系统 ......................................................................................................................................... 26
12.1 进气系统 ........................................................................................................................................... 26 12.2 排气系统 ........................................................................................................................................... 26 13 总结 ............................................................................................................................................................. 27
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1 引言
先进的GE材料为燃气轮机的持续显著改进铺平了道路——这些改进创造了为用户提供效率最高的发电设备的新纪录。现在，通过提供进气温度和效率更高的部件及机组设计，联合循环机组的效率已经高达60%。GE公司正在进行的研发工作预示着未来十年将见证燃气轮机进气温度、压力和输出功率的持续提高。本文描述了能够满足相互冲突的市场需求（高的进气温度、长期服役、防止燃料和空气腐蚀、效率更高及可以使用多种燃料）的燃气轮机材料的发展过程。本文主要介绍高温部件的发展，因为通常这些部件是燃气轮机中工况条件最严苛的部件。现在，高温合金的发展和加工工艺的改进可以允许高温部件在进气温度不断提高以及在离心力、热应力和振动应力共同作用的严苛条件下工作数千小时。同时讨论了压气机和转子的最新发展情况。
GE公司的工程师继续引领着燃气轮机材料技术的发展，因为他们能够利用全世界产品最多样（范围从飞机发动机材料到高科技复合材料）的公司之一的实验室得到的知识和技术。他们已经利用这些资源和从在很多气候及使用不同燃料的条件下运行的5000多台燃气轮机收集到的数据来验证在要求工况条件下运行的材料。
2 材料宗旨
主要宗旨是制造满足使用要求的可靠、高效、低成本的设备。在任何可能的情况下，都使用具有成功应用经验的标准材料。在很多情况下，都使用经过飞机或汽轮机应用验证的技术。但是，在很多情况下，高负荷高温部件的独特要求需要使用特殊材料和工艺。在合金和部件供应商与GE内部研发部门的共同努力下，已经研发出了很多满足燃气轮机工业要求的合金和工艺。
材料研究项目的初始阶段非常耗费时间和财力。首先，要对新观点和新材料进行筛选，选出最能满足材料设计要求的一种或两种观点或材料。
随后是进行大量的试验，确保材料能够满足重型燃气轮机数万小时寿命的要求。进行预期工作温度下的长期蠕变试验来表征材料性能。而且，还要进行典型的实验室性能评价，包括拉伸试验、断裂试验、低周和高周疲劳试验、热机械疲劳试验、韧性试验、耐腐蚀/氧化试验、制造/工艺试验以及全面的物理性能试验。对于一种喷嘴或叶片用新材料，试验阶段往往需要持续几年。
实验室性能试验后，通过与GE用户合作，对新材料进行最好和最终的试验——实机运行试验。在用户的设备上进行彩虹现场试验——同时对评价材料和现有标准材料进行平行对比试验。自1950年代，已经进行了50多次彩虹试验，包括压气机叶片、压气机涂层、燃烧室、喷嘴、喷嘴涂层、叶片和叶片涂层材料。实际上，现在所有经过验证的高温材料（即我们现在认为的标准材料）在使用前都在彩虹转子上进行过彩虹试验。典型的过程是彩虹材料被卸下，定期进行评价，然后换上标准部件。目前的彩虹试验包括叶片和喷嘴涂层、燃烧室部件、叶片和喷嘴材料。
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包括长期实验室试验的彩虹转子试验是材料研发的基础。这些试验成功的保证了GE重型燃气轮机材料和工艺的持续发展。材料经过彩虹转子证实后，再通过大量的首件认证和试验批评价验证材料的可制造性。部件还要满足严格的产品无损检验和破坏性试验的要求。还要供应商一起开展大量工作，确保采用新材料制造的零件满足要求。在此期间，要对试验部件进行解剖试验并进行分析，确保各项性能满足GE规范的要求。已经解剖了大量叶片和喷嘴铸件以及很多轮盘锻件，以验证生产工艺（原材料、铸造/锻造参数、热处理等等）的正确性。
供应商得到认可后，其生产工艺将被固化，没有GE批准不得更改。产品制造时，还要在某个锻件或选定的铸件上取样进行破坏性试验，确保满足规范要求。重要的转动部件还要进行无损检验，比如超声波探伤、液体渗透探伤、磁粉探伤和X射线探伤，根据具体的部件确定具体的检验方法。对于非常重要的部件还要进行验证试验。
自从1950年代，GE开始制造燃气轮机以来就使用该材料研发和产品验证理论。在将来还将继续使用该理论研发用于新型设备的新材料研发。
3 透平叶片和喷嘴
3.1 加工工艺
自1960年代中期以来GE一直使用熔蜡精密铸造技术制造喷嘴和叶片。这一铸造工艺允许使用难以成型或加工的合金，同时使内部冷却孔的设计更加灵活。例如，在这些铸件中大量使用陶瓷型芯来制造空冷通道，同时降低了铸件重量。
GE使用的大多数喷嘴和叶片铸件采用传统的等轴精密铸造工艺制造。在该工艺中，熔融金属在低于10-2托（26Pa）的压力下铸入陶瓷模。在很多情况下采用真空条件，尤其是对于钴合金，防止高温合金中的活泼金属与大气中的氧和氮反应。通过对金属和浇铸模热条件的合理控制，熔融金属从模的表面向中心凝固，得到等轴晶结构。为了防止出现疏松，在浇铸时进行补缩处理。在过去30年生产了各种精密铸造叶片和喷嘴。图1和2表明该工艺非常灵活，可以满足各种设计和尺寸的要求。同时还使用定向凝固技术来制造先进叶片。定向凝固技术在在飞机发动机上的应用已经有超过25年的历史了，几年前在GE能源及其供应商的共同努力下，将定向凝固技术用在了大型机翼上。通过对温度梯度的准确控制，在叶片上开发出一层凝固前沿，通过这层前沿的纵向生长，形成整个叶片。这样就形成了定向的晶粒组织，即只有与叶片主轴平行的纵向晶粒，没有横向晶界。横向晶界的消除提高了合金的蠕变和持久强度，纵向晶粒组织提高了合金的纵向弹性模量，进而提高了疲劳强寿命。就在最近，GEPG与其供应商共同进行单晶铸件的研究工作，通过晶界的消除可以进一步合金的蠕变强度和疲劳寿命。
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图1 精密铸造叶片
图2 精密铸造喷嘴
MS5002C定向凝固叶片是首件用于大型陆用燃气轮机的产品定向叶片，于1989年投入商业运行。图3所示是最近的三个定向凝固1级叶片：MS9001FA、MS7001FA和MS6001FA，三件叶片都经过了酸洗，呈现出定向晶粒组织。其次，特殊工艺包括一些部件的电化学加工和放电加工、硬涂层，传统打磨和间歇进给打磨。这些工艺及后续的防腐蚀和抗氧化涂层都能充分满足每一设计的要求，确保合金锭的冶金质量，无有害残余应力，所有性能不劣化。而且，所有燕尾槽都进行喷丸处理，使表面产生残余压应力，提高疲劳强度。
图3 定向凝固叶片
3.2 叶片材料
1级叶片的工况条件最严苛，必须承受高温、高应力和恶劣环境的综合作用，通常是燃气轮机的极限部件。自1950年以来，透平叶片材料使用温度约提高了472℃，平均每年约提高10℃。叶片材料使用温度提高的重要性不言而喻：透平进气温度提高56℃会使输出功率提高8～13%，使简单循环机组的效率提高2～4%。合金性能和加工工艺的提高在耗费大量财力和时间的同时，显著提高了能量密度和机组效率。
图4所示是进气温度和叶片合金使用高温性能的发展过程。表1所示是新型合金和传统合金的化学成分。1970年代以前，进气温度的提高主要依靠提高叶片材料使用温度来实
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