高温材料在发电燃气轮机中的应用和发展_汪超(1)

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ
ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ
ＷＡＮＧ Ｃｈａｏ，ＳＨＥＮ Ｈｏｎｇ－ｗｅｉ，ＭＥＩ Ｌｉｎ－ｂｏ
（Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｐｌａｎｔ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ）
图１ ＧＥ 透平动叶发展趋势
ＧＥ 重型燃气轮机 典 型 机 组 使 用 的 高 温 材 料 如表１所示。其所有的热端部件均采用了高温合 金材料。而且随 着 新 型 机 组 的 不 断 发 展，在 发 展 新材料的同时，零 件 制 造 技 术 也 经 历 了 锻 造—精 密铸造—定向晶铸造—单晶铸造的发展过程。
汪 超 ，沈 红 卫 ，梅 林 波
（上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，上海 ２００２４０）
摘 要：介绍了当前世界四大燃气轮机制造商热端部 件 使 用 的 各 种 高 温 材 料 和 我 国 燃 气 轮 机 用 高 温 材 料 的 现状，通过分析热部件工作环境对材料性能的要求，提 出 了 热 部 件 材 料 选 择 的 原 则。 结 合 国 内 外 燃 气 轮 机 用 高 温 合 金 的 发 展 和 应 用 现 状 ，提 出 了 我 国 重 型 燃 气 轮 机 高 温 材 料 发 展 的 目 标 和 方 向 。 关 键 词 ：发 电 燃 气 轮 机 ；高 温 材 料 ；高 温 合 金 ；新 型 材 料 中 图 分 类 号 ：ＴＫ４７１ 文 献 标 识 码 ：Ａ ｄｏｉ：１０．１３７０７／ｊ．ｃｎｋｉ．３１－１９２２／ｔｈ．２０１４．０２．００２
／
９ＦＡ Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ Ｘ／Ｎ２６３
Ｎｉｍｏｎｉｃ ２６３ ＧＴＤ１１１ＤＳ
ＧＴＤ１１１ ＧＴＤ１１１
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ＦＳＸ４１４ ＧＴＤ２２２ ＧＴＤ２２２
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９ＦＢ Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ Ｘ／Ｎ２６３
Ｎｉｍｏｎｉｃ ２６３ ＲｅｎｅＮ５ＳＣ ＧＴＤ４４４ＤＳ ＧＴＤ４４４ＤＳ
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ＧＴＤ２２２ ＧＴＤ２２２ ＧＴＤ２６２
收 稿 日 期 ：２０１３－０７－０３ 修 订 日 期 ：２０１４－０４－１６ 作者简介：汪超（１９８２－ ），男，毕业于上海大学，工学博士，工程师，现从事燃气轮机和汽轮机材料开发工作。
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高温材料在发电燃气轮机中的应用和发展
热力透平
由于燃烧室燃 烧 时 热 胀 冷 缩 的 程 度 很 高，筒 体 必 须允许自由膨胀。
温材料未来发展和应用的趋势，提出了我国发展燃 气轮机高温材料的发展方向。
１ 热 端 部 件 对 材 料 的 要 求
１．１ 燃 烧 筒 和 过 渡 段 燃烧室是燃气 轮 机 的 三 大 核 心 部 件 之 一，是
整个燃气轮机 承 受 温 度 最 高 的 部 件，其 工 作 环 境 非常恶劣。在燃气轮机工作时为了使燃烧筒和过 渡段保持筒体 的 强 度，其 周 围 必 须 有 强 大 的 冷 却 气体回流，同 时 筒 体 内 壁 采 用 热 障 涂 层 （ＴＢＣ）进 行保护，使得燃 烧 筒 和 过 渡 段 处 于 安 全 的 使 用 温 度范围内。为具 有 良 好 的 传 热 和 冷 却 性 能，燃 烧 筒和过渡段筒 体 必 须 薄，而 且 筒 壁 上 需 要 留 出 大 大小小许多的孔洞和缝隙。为承受必需的机械重 量，筒体又必须具有足够高的刚度和强度。 另外，
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｈｏｔ－ｇａｓ－ｐａｓｓａｇｅ ｈａｒｄｗａｒｅｓ
ｆｏｒ ｆｏｕｒ ｌａｒｇｅ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ ａｎｄ ｏｕｒ ｃｏｕｎｔｒｙ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃａｓｅｓ，ｔｈｅ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｖａｒｉｏｕｓ ｈａｒｄｗａｒｅｓ ｗａｓ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ．Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ， ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎ ｈｅａｖｙ－ｄｕｔｙ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｅｃｏｍｅ ｍｏｒｅ ｕｎａｍｂｉｇｕｏｕｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ；ｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ；ａｄｖａｎｃｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ
透平动叶是燃 气 轮 机 最 关 键 的 构 件 之 一，是 承受高温、大 应 力 的 重 要 零 件。 虽 然 承 受 的 温 度 相 对 于 导 向 叶 片 较 低 ，但 它 需 要 承 受 高 离 心 力 、振 动应力和高温燃气的高速冲蚀。现在重型发电燃 气轮机的进气 初 温 一 般 都 在 １ ３００ ℃ 以 上，接 近 金 属 材 料 的 熔 点 ，因 此 为 了 使 叶 片 在 高 温 、高 速 旋 转条件下保持 一 定 的 强 度，必 须 对 叶 片 进 行 冷 却 和涂层保护，这 就 要 求 叶 片 具 有 复 杂 的 冷 却 通 道 和涂敷性。广泛采用的复杂冷却通道不可能通过 锻 造 合 金 方 法 获 得 ，只 能 采 用 铸 造 方 法 。
ＧＥ 是 目 前 全 球 最 大 的 燃 气 轮 机 生 产 制 造 商 。 从 二 十 世 纪 ５０ 年 代 开 始 生 产 燃 气 轮 机 以 来 ， ＧＥ 就不断 地 进 行 材 料 技 术 开 发，通 过 实 验 室 开 发和彩虹试验推动 ＧＥ 燃气轮机材料及其加工技 术的持续发展。ＧＥ 燃 气 轮 机 透 平 叶 片 材 料 发 展 趋势如图１ 所 示。 从 图 中 可 以 看 出，材 料 技 术 的 不断发展提高 了 透 平 叶 片 的 承 温 能 力，满 足 了 燃 气轮机透平初温不断提高的要求。
为了满足以上 要 求，选 作 透 平 导 向 叶 片 的 材 料必须满足良好的导热性和抗高温热疲劳性能、 良好的高温韧 性 和 抗 高 温 蠕 变 性 能、良 好 的 抗 机 械 应 力 性 能 、良 好 的 抗 高 温 氧 化 和 腐 蚀 性 能 、良 好 的可焊性和可加工性以及良好的铸造性和组织稳 定性。一般考虑钴基高温合金作第一级透平导向 叶 片 ，但 是 由 于 钴 基 高 温 合 金 较 为 昂 贵 ，有 采 用 镍 基高温合金来代替的趋势。 １．３ 透 平 动 叶 片
透平导向叶片的作用是加快高温气体流速， 同时引导气体流向。第一级透平静叶直接面对燃 烧室出来的高 温 高 速 燃 气，是 透 平 部 分 承 受 温 度 最高 、热冲击最大的零件。由于这些高温 高 速 燃 气的温度接近或者超过了静叶及其周围构件金属 的 熔 点 ，导 叶 内 部 和 周 围 必 须 有 强 烈 的 冷 却 气 流 ， 这样冷热交加的环境要求导叶必须承受热应力而 不 引 起 裂 纹 。 同 时 ，透 平 导 叶 由 于 两 端 固 定 ，在 承 受热胀冷缩时 不 能 像 燃 烧 筒 那 样 自 由 膨 胀，而 是 必须保持不变形。导向叶片相比同级动叶承受温 度高，容易受到 高 温 氧 化 和 腐 蚀 侵 害，因 此，虽 然 透平导叶承受 的 机 械 应 力 较 小，但 是 热 应 力 引 起 的扭曲变形、温 度 剧 烈 变 化 引 起 的 热 疲 劳 裂 纹 以 及过燃引起的 烧 伤，使 导 向 叶 片 在 工 作 中 经 常 出 现故障。
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第２期
高温材料在发电燃气轮机中的应用和发展
表 １ ＧＥ 燃 气 轮 机 热 部 件 材 料［２－
透平动叶
２级 ３级
４级
１级
２级 透平导向叶片
３级
４级
９Ｅ Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ Ｘ／Ｎ２６３
Ｎｉｍｏｎｉｃ ２６３ ＧＴＤ１１１ＤＳ ＩＮ７３８ＬＣ
Ｕ５００ ／
ＦＳＸ４１４ ＦＳＸ４１４ ＦＳＸ４１４
为满足以上各 种 要 求，选 作 燃 烧 筒 和 过 渡 段 的材料必须具有良好的抗高温氧化和高温腐蚀性 能 、足 够 的 高 温 瞬 时 强 度 和 持 久 强 度 、良 好 的 抗 热 疲劳性能、良好 的 成 型 性 能 和 焊 接 性 能 以 及 良 好 的组织稳定性 能 和 韧 性，一 般 考 虑 采 用 变 形 镍 基 高温合金。 １．２ 透 平 导 向 叶 片
低 排 放 、高 效 率 始 终 是 重 型 发 电 燃 气 轮 机 发 展 的目标，达到这个目标最有效的方法之一就是提高 燃 气 轮 机 透 平 的 进 气 温 度 。 然 而 ，进 气 温 度 的 提 高 对燃气轮机的热端部件材料提出了更高要求。当 前先进的大型发电燃气轮机的透平叶片都广泛采 用了定向 晶、单 晶 高 温 合 金 叶 片 和 先 进 的 涂 层 技 术 。 随 着 燃 气 轮 机 的 进 气 温 度 进 一 步 提 高 ，需 要 开 发新型高温 材 料，如 金 属 间 化 合 物、难 熔 合 金、碳－ 碳复合材料 、陶 瓷 及 其 复 合 材 料 等 ，作 为 高 温 合 金 的替代材料 ，以 减 少 冷 却 或 者 不 使 用 冷 却 ，从 而 提 高燃气轮机的效率。当前世界先进燃气轮机的高 温 材 料 使 用 情 况 ，可 以 为 我 国 燃 气 轮 机 的 发 展 提 供 参考。本文通过分析热端部件对材料的使用要求， 详细介绍了 当 前 四 大 燃 气 轮 机 制 造 商 （美 国 通 用 、 德 国 西 门 子 、法 国 阿 尔 斯 通 、日 本 三 菱 ）的 大 功 率 发 电 燃 气 轮 机 所 使 用 的 高 温 材 料 和 选 材 原 则 ，以 及 高