涡轮丨哈汽：重型燃气轮机透平叶片的用材及单晶合金材料的应用与发展

西门子公司和GE公司的H级重型燃气轮机已经广泛投入商业运行，日本三菱日立公司的J级1 600 ℃等级燃气轮机也已经投入运行，该公司正在研发1 700 ℃等级的重型燃气轮机[1-3]。随着燃气轮机进气参数的提高，透平叶片的工作温度也不断提高。工业燃气轮机透平叶片材料经历了变形高温合金到等轴铸造合金、定向铸造合金、单晶铸造合金的发展历程。目前，国外H级重型燃气轮机透平叶片已经采用第2代单晶合金。

本文在介绍国外F级及以上等级重型燃气轮机透平叶片用材和国内外单晶合金研发和应用情况的基础上，分析了单晶合金化学成分的特点和成分设计应该考虑的因素，结合国内外低Re单晶合金的研发和应用情况，指出使用低Re单晶合金是重型燃气轮机透平叶片用材的发展趋势，并给出国内重型燃气轮机透平叶片用低Re合金的研发建议。

1 重型燃气轮机透平叶片用材情况

表1是世界主要燃气轮机制造商生产的F级及以上机组的透平叶片用材情况。

从表1可以看出:

1)GE公司FB级燃气轮机透平第1级动叶已经采用第2代单晶合金制造，而第2～3级动叶采用定向铸造合金制造；

2)西门子公司的F级燃气轮机透平第1、2级动导叶均采用第1代单晶合金制造，第3、4级动导叶采用传统等轴合金制造；

表1 世界上F级及以上重型燃气轮机透平叶片用材情况[4-5]

3)三菱公司F3级及以上等级燃气轮机透平前几级动叶和J级前2级导叶采用定向铸造合金制造，其他级动叶和导叶均采用传统等轴合金制造，这主要因为其动导叶片设计采用了更加先进的冷却结构和涂层技术。

表2是重型燃气轮机透平叶片用典型合金的化学成分。

表2 重型燃气轮机透平叶片用典型合金的化学成分(质量分数%)[6-9]

从表2可以看出，这些合金主要分为三类：

1)单晶合金，包括第1代单晶合金PWA1483等；

2)定向铸造合金，包括第1代定向合金DSMGA1400、DSGTD111、DSGTD444等；

3)传统等轴合金，如MGA1400、IN738、IN939、GTD111、GTD222等。

2 单晶合金

2.1 国内外单晶合金的研发和应用情况

自20世纪80 年代第1代单晶高温合金(PWA1480 等)成功应用于F100 航空发动机至今，单晶合金已经发展到第5代。目前，国外航空发动机已经应用第3代单晶合金。重型燃气轮机透平叶片也已经应用第2代单晶合金(见表1)。国内的航空发动机已经应用第2代单晶合金，比如自主研发的DD406合金。国内第3代单晶高温合金正处于材料研究阶段，第4代单晶合金的研制尚处于探索阶段。

2.2 单晶合金化学成分的特点

单晶合金主要合金元素随各代铸造合金发展的变化情况如图1所示。

图1 单晶合金主要合金元素随各代铸造合金发展的变化情况[6]

从图1可以看出：

1)Cr质量分数呈显著下降趋势，Al质量分数呈显著上升趋势；

2)Co质量分数先降后升，第3代和第4代单晶合金保持在10%左右；

3)Ta和W的质量分数呈先增加，再减少，再增加的趋势；

4)传统铸造合金中不含Re元素，在第1～3代单晶合金中Re质量分数呈上升趋势，在第4代单晶合金中Re质量分数呈下降趋势；

5)在第3代合金前，合金中均不含有Ru元素，第3代和4代单晶合金中添加Ru，且质量分数呈上升趋势；

6)Mo质量分数在传统铸造合金中呈下降趋势，在第1代单晶合金中陡降至1%以下，之后呈缓慢上升趋势，保持在2%左右；

7)Ti质量分数在传统合金中呈增加趋势，在第1代单晶合金后先是缓慢降低，之后陡降至1%以下，在第2代单晶合金之后逐渐消失。

2.3 单晶合金化学成分变化分析

单晶合金蠕变强度的提高主要得益于γ＇强化相质量分数的提高，而要提高γ＇相的质量分数，必须提高γ＇相形成元素Al的质量分数；而Cr是γ＇相形成元素，所以其质量分数会显著降低。需要注意的是这种变化会导致抗氧化性能的变化，因为在未涂涂层的情况下，大多数的现代合金在氧化条件下首先倾向于形成Al2O3，而非Cr2O3。因此，对于Al质量分数不断增加的单晶合金叶片，必须采用必要的抗氧化涂层防护措施。

普遍认为，Co元素能够通过固溶强化作用提高合金的蠕变持久性能，但是对于Co元素在单晶合金中的强化机理尚未形成统一的定论，因此，其质量分数的波动较大。

Ta和W均属于难熔金属，主要通过固溶强化作用提高合金的蠕变持久强度，因此在传统铸造合金中Ta和W的质量分数呈上升趋势。但是在第1～3代合金中，Ta和W质量分数呈下降趋势，因为强化效果更好的Re元素质量分数在增加；同样，在第4代合金中Ta和W质量分数呈上升趋势，因为Re质量分数呈下降趋势。

Mo具有很好的固溶强化作用，也可以提高合金的蠕变持久强度，但与Ta、W、Re等难熔合金相比，Mo的强化效果要差得多。而过多的Mo、Ta、W、Re等元素会促进有害的拓扑密排(TCP)相析出，显著降低合金的蠕变持久性能，如图2所示。因此，在含有较多Ta、W、Re等元素的单晶合金中，Mo的质量分数较低，基本维持在2%左右。

Re可以显著提高单晶的蠕变持久强度，具有“Re效应”，单晶合金中均添加Re元素，第3代单晶中Re元素更是高达6%左右。在第1～3代合金中，Re元素的质量分数呈上升趋势，因为Ta和W质量分数呈下降趋势；而在第4代合金中Re质量分数呈下降趋势，因为Ta和W质量分数呈上升趋势。Re元素质量分数过高，会使合金的组织变得不稳定，容易产生有害的TCP相。这些TCP相在铝化物涂层下的二次反应区(SRZs)、富Re的枝晶区域(铸造微观偏析区域)和小角度边界区域形成。另外，添加Re元素还有两个不利影响：一是价格昂贵，增加了机组成本；二是密度大，提高了轮盘轮缘应力水平。

(a)蠕变曲线(1 093 ℃，103 MPa)

(b)持久曲线(1 093 ℃)

图2 TCP相对第3代和第4代单晶合金蠕变持久性能的影响[6]

第4代的单晶合金中添加了Ru，同时降低了Re的质量分数。Re质量分数4.5%和Ru质量分数4%是第4代单晶合金的典型特征。对于第4代单晶合金的主要研究工作都是在近10年内开展的，尤其是对Ru在镍基合金中的强化作用。研究发现，Ru 能够抑制单晶高温合金中TCP相的析出，进而可以对高温合金产生稳定化的作用。但是，对于Re元素的作用机制研究还很不充分，许多观点仍存在争议[10-11]。添加Ru元素的不利因素同样是价格昂贵。

Ti会加速合金的氧化率，还会降低叶片表面热障涂层的结合力。单晶合金叶片的工作温度非常高，且单晶叶合金片必须使用热障涂层，所以第2代单晶合金及其之后的单晶合金几乎不含Ti。

2.4 单晶合金成分设计要求

单晶合金的设计需要兼顾高温强度、组织稳定性、抗氧化腐蚀性能、铸造工艺性能、涂层兼容性能、密度等各种应用性能要求，因此，下一代单晶合金的设计空间越来越小。这就要求针对具体应用情况优先保证几种性能要求。比如，对于重型燃气轮机透平叶片用单晶合金而言，其尺寸大、运行环境恶劣、寿命需求长等特点决定了设计必须首先保证合金具有优异的抗腐蚀性能、铸造工艺性能、组织稳定性以及较低的成本。

2.5 低Re单晶合金的发展

如上所述，虽然Re能够显著提高单晶合金的蠕变持久性能，具有“Re效应”，但是高Re单晶合金存在组织不稳定、密度大、价格昂贵等缺点。特别是对于寿命要求长的重型燃气轮机而言，这些缺点都是致命的。因此，国内外都在研发低Re或无Re单晶合金。

2.5.1 日本的情况

日本国立材料科学研究所(NIMS)通过改变 W、Ta 质量分数，以提高Mo+W+Ta质量分数，由此有效提高γ＇体积分数、基体固溶强化能力等，最终提升材料蠕变持久强度。该研究所设计出了Re质量分数只有2.4%的TMS-82+合金，其使用温度超过第2代单晶合金[9]。

为了解决1 700 ℃等级燃气轮机透平叶片用材问题，日本三菱公司与NIMS合作研发了一种新型无Re单晶合金MGA1700。该合金的蠕变强度和热疲劳强度如图3所示。可以看出，MGA1700的蠕变强度与现有第3代合金TMS-75相当，热疲劳强度优于现有第2代单晶CMSX-4、TMS-82+和第3代合金TMS-75。

图3 MAG1700合金蠕变强度和热疲劳强度与现有合金的比较[3]

2.5.2 美国的情况

美国GE公司的F级和H级重型燃气轮机透平叶片已经使用第2代单晶合金Rene N5。但是由于Rene N5含有约5%的Re元素，这大大增加了机组的制造成本，从而降低了市场竞争力。因此，GE公司在Rene N5 基础上通过调整W、Mo、Re 和 Cr 等元素的质量分数，获得一种低Re合金Rene N515，该合金的Re质量分数降低到 1.5%。同时，GE公司还简化了合金的热处理工艺。Rene N515的蠕变持久强度和抗氧化性能与Rene N5相当，如图4和图5所示。Rene N515合金正在CFM56喷气发动机中得到应用。GE公司还在研发无Re的单晶合金Rene 500。

图4 Rene N5和Rene N515合金的蠕变持久强度比较[12]

图5 Rene N5和Rene N515合金的抗氧化性能比较[12]

2.5.3 中国的情况

我国已经成功研制出低Re单晶合金DD406。与传统的等轴合金、定向铸造合金和已成功应用的第2代CMSX-4单晶合金相比，DD406合金具有更好的高温综合性能，已成为国内某型先进航空发动机涡轮转子叶片的主要材料[13]。DD406合金化学成分如表3所示。与Rene5相比，DD406合金降低了Cr质量分数，提高了W、Ta、Co等元素的质量分数。

表3 DD406镍基单晶合金化学成分(质量分数%)[13]

3 结论

高Re单晶合金带来的成本高、组织稳定性差等缺点，决定了其不适合制造重型燃气轮机透平叶片。因此，使用低Re或无Re单晶合金是重型燃气轮机透平叶片用材的发展趋势。对于国内重型燃气轮机透平叶片用低Re或无Re单晶合金的研发，应在充分研究航空发动机叶片用单晶合金(比如DD406)的基础上，重点解决铸造工艺性能、组织稳定性、抗热腐蚀性等问题。