干货丨重型燃气轮机主要零部件材料的发展及应用

重型燃气轮机是动力强国的标志性装备之一，事关国家能源安全与供给水平。随着相关国家科技重大专项的深入实施，碳达峰、碳中和战略目标的引领驱动，开展新时期重型燃气轮机研究具有紧迫性。

在新时期科技强国战略指引下，我国重型燃气轮机行业进入了自主研制、创新发展、战略转型的关键阶段，以2019年首台国产重型燃气轮机产品的制造和装配为代表。重型燃气轮机主要部件用材的发展及应用情况，主要有以下几点：

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级动叶片均釆用GDT-111合金，该合金是在Rene'80基础上发展的新型合金，该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。这使得该合金的使用温度在原有基础上提高了近28℃。这与三菱公司采用的MGA1400合金的使用温度相近。

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，其中具有代表性的高温合金有：K406合金（对应U500）、K4537和K438合金。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。

其中M38合金用于Fr5系列和MS6001燃机一级涡轮叶片，目前Fr5燃机一、二级涡轮叶片已打入国际市场；DSM11合金性能已达到DSGTD-111合金性能水平。

为满足舰载机高压涡轮叶片研制的需要，还研发了单晶合金DD10，其性能水平超过目前FWS10发动机使用的DZ125合金，而且抗热腐蚀性能与著名的抗热腐蚀合金IN738相当。

透平静叶片的基体材料与动叶片一样，也采用了Ni基合金，燃气透平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，使燃气透平进口温度提高至1430℃，有效地解决了F级燃气轮机材料的耐高温难题。

我国沈阳金属所在上世纪80年代就已经仿制成功FSX-414合金（国内牌号K6414），并在此基础上又发展了定向合金DZ40M，从2000年开始研制的M22合金也已达到GTD-222合金的性能水平。

目前，在E/F级重型燃气轮机的透平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透平叶片的冷却工质，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。

燃气轮机燃烧室最主要的高温部件是火焰筒，由于该部件相对静止，因此，对材料的强度要求比叶片低，但对高温下耐腐蚀、耐氧化性能要求较高，此外，还同时具备较好的可焊接性和加工性。

燃烧室材料一般采用高温合金，如Inconel600和Haynes188等合金，后者为钴基高温合金，有着更高的抗热腐蚀性能，其使用温度可以提高55℃。

目前Hastelloy-X和RA333合金（国产化牌号GH4333）仍是国内外制造火焰筒的主要材料。GE公司已应用更好的Nimonic263合金用于火焰筒制造，而国内采用的GH222合金应用效果也较好，但主要限于航空领域使用。

随着燃气轮机向高效率的发展，轮盘材料通常要求具有较高的力学性能、较好的持久蠕变强度和疲劳强度等。燃气轮机轮盘重量大，锻造难度较大，国外较多机组采用A286合金（国内牌号GH2132），适合在650℃下服役。

A286合金是一种奥氏体Fe基高温合金，在上世纪60年代已开始应用于工业燃气轮机，随着对M-152合金使用性能的进一步掌握，轮盘材料逐渐改用M-152合金。

国内批量生产的轮盘材料有GH2036、GH2132、GH4133、GH4698、GH4169等合金，后3种主要用于航空发动机轮盘。GE公司现在釆用了IN706合金，其与IN718合金类似，但IN706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，这种合金是Ni-Fe-Cr基沉淀强化型合金，使用温度在550℃～650℃。该合金是GH4169合金的改型合金，其特性类似GH4169。

但相较于GH4169，降低了Ni、Cr、Nb元素的含量，并去除了Mo元素，并适当增加了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。

压气机叶片采用锻造、机加等工艺制造，因使用温度较低，一般采用AISI403（国内牌号1Cr12Mo）/AISI403Cb（国内牌号1Cr12MoNb）或国内外汽轮机常用牌号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年代重燃机组改进时，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。

为了进一步提升燃气轮机效率，新一代重型燃气轮机工作温度已接近1700℃，高温部件长期运行在金属熔点以上，同时承受着极高的应力和腐蚀工况，部件工作环境极其恶劣，而零件的设计和制造难度也极大。

在重型燃气轮机材料和智能制造方面，目前需要大力开发新一代高温材料与冷却技术，开发更为先进的涂层，进一步改善高温部件的抗氧化和抗热疲劳性能。

研究工作应该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、先进的涂层技术，以及与其相应的新一代冷却技术。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。

我国重型燃气轮机装备与行业取得重大突破，一方面，需要科研院所、高校、创新中心、动力集团、制造企业之间的大力协同，联合开展关键核心技术攻关；另一方面，需要兼顾研发设计的可制造性、成本效益和商业利益，以契合市场需求、获得客户认可信任为最终目标。