工程材料结课小论文
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【4】潘洪泗,王伟莉,董士良,罗巍. F级重型燃气轮机压气机叶片材料的国产化研究[J]. 热力透平,2012,(04):264-267.
【5】孙勇. 重型燃气轮机压气机叶片可靠性分析[D].哈尔滨工业大学,2015.
【6】吕成. 数值模拟技术在燃气轮机零部件锻造及热处理过程中的应用[D].大连理工大学,2007.
众所周知，在高温下晶界的强度低于晶内强度，材料的高温失效为晶界滑移的蠕变变形方式。因此，为了提高透平叶片主要受力方向（纵向）的性能，开发了定向凝固精密铸造技术，使叶片材料的晶粒沿主要受力方向生长，取消横向晶界，进而大大提高了合金纵向的性能。与传统多晶合金相比，定向凝固合金的蠕变强度提高了１倍多，抗热疲劳性能提高了５倍，抗氧化腐蚀性能提高了１倍多。
图2X20Cr13锻造比与冲击韧性的关系
3.总结
国家两机专项项目已经启动，如何在燃气轮机领域赶超欧美，选取并优化燃气轮机的叶片材料是一个重要途径。利用基本的工程材料知识，辅以文献调研，让我对压气机与透平的叶片选取有了更深的认识。提高材料的耐用性，耐热性，抗交变应力的能力，对提高整机效率与安全运行至关重要。同时对新型合金的应用，让燃气轮机可以负荷更大。
工程材料小论文
燃气轮机叶片材料分析
摘 要：简要分析了燃气轮机透平叶片与压气机叶片的各自不同要求。简述了透平使用材料的发展过程与压气机的工艺与性能。对燃气轮机叶片材料的发展过程与历史做了概括与总结。
关键词：燃气轮机，叶片材料，透平叶片，压气机叶片
1
1.1叶片
1
透平叶片材料的使用温度主要取决于材料的蠕变强度。材料蠕变强度的提高主要通过合金化和制造工艺实现。提高难熔金属（比如Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ和Ｍｏ等）的含量可以提高镍基合金的蠕变强度，因为这些难熔金属的原子质量很大，在合金中很难扩散。这些难熔金属的添加量主要取决于其在合金中的溶解度和形成有害第二相的倾向性。在叶片的使用温度（超过熔点的２／３）下，主要的蠕变变形模型为晶界滑移。通过开发先进的铸造工艺，已经可以制造定向凝固合金和单晶叶片精密铸件，显著提高了叶片的蠕变强度。目前，定向合金和单晶叶片已经广泛运用于先进的工业燃气轮机中。
随着燃气轮机进气温度的不断提高，对透平叶片材料高温性能的要求也越来越高。由于定向凝固合金存在横向晶界，横向性能难以满足叶片的使用要求，因此，开发了单晶制造技术，即整个叶片为一个晶粒。由于消除了所有的晶界，叶片材料的各项性能得到了显著提高。与传统多晶合金相比，单晶合金的蠕变强度提高了８倍，抗热疲劳性能提高了８倍，抗氧化腐蚀性能提高了２倍多。
然而，单晶叶片的制造难度很大，目前主要应用于航空发动机叶片。对于工业燃气轮机透平叶片，由于其尺寸和质量较大（通常是航空发动机叶片的3至4倍），很难采用单晶铸造技术制造。除了GE公司的Ｈ级先进燃气轮机透平第1级动导叶片采用单晶材料N5制造外，世界上主要的先进燃气轮机透平前几级叶片材料均采用定向凝固合金制造，比如三菱公司制造的最先进的1600℃等级Ｊ级燃气轮机透平1-3级动叶采用定向合金DSMGA1400制造。【2】
因此，透平叶片材料必须具有良好的抗氧化性能。热腐蚀通常与燃气中的碱性金属有关，比如Ｎｂ和Ｋ，这些金属会与硫形成熔融的硫化物。即使燃气或空气中的Ｎａ含量在２×１０－６以下，也会造成热腐蚀损伤。因此，透平叶片材料必须具有良好的抗热腐蚀性能。
1
工业燃气轮机的寿命比航空发动机的寿命要长得多，达几万甚至几十万小时。在如此长的时间内，经受高温和高应力的作用，合金的组织结构会发生变化，其中最可怕的是形成σ相和μ相等有害的脆化相。这些相的大量析出，会显著降低持久性、蠕变性能和塑性，使合金变脆。因此，透平叶片材料应具有良好的组织稳定性，保证叶片能够长时间可靠运行。
1.2
如前所述，高温合金蠕变强度的提高是通过合金化和制造工艺实现的。在早期的变形合金中，主要是通过提高Al、Ti含量增加沉淀强化相γ’（Ni3（Al、Ti））的含量，以及通过提高起固溶强化作用的难熔金属的含量来实现合金蠕变强度的提高。典型合金有IN738、IN939等。随着强化相γ’和难熔金属添加量的不断增多，合金的塑性越来越差，热变形抗力越来越大，以至于无法通过锻造等变形方式制造。于是，技术人员便开发了高温合金的精密铸造工艺。采用传统的精密铸造工艺制造的高温合金材料为等轴多晶组织。
图1压气机叶片材料Biblioteka Baidu4】
2.2
2.2.1
从技术要求看出，叶片材料在满足强度条件的情况下，要求更好的韧性，如FATT（脆性断裂时间）尽可能低【4】，晶间断裂率要求小于 10%。这不仅要求材料具有细小的晶粒度，低的δ － 铁素体含量，均匀无偏析的组织，而且必须有较高的纯净度，即夹杂物含量少、尺寸小、分布弥散。经电渣重熔生产的钢材质量和性能可以得到有效的改善，钢的低温、室温和高温下的塑性和冲击韧性增强。【5】
1
燃气轮机进气温度的提高会使透平叶片更多地受到的热循环载荷作用。为了降低叶片的工作温度，通常将叶片设计为空腔结构，以便采用空气或蒸汽对叶片进行冷却，但是这样却增加了叶片受到的热循环载荷作用。因此，为了使叶片能够承受高热循环载荷，叶片材料必须具有优异的冷热疲劳性能。
1
由于透平叶片的工作温度极高，合金中的元素很容易与燃气中的氧反应生成各类氧化物，这会降低合金的元素含量，从而使合金的性能劣化，合金元素损失过多还会造成叶片失效。合金的氧化行为主要与合金成分、铸造偏析和暴露环境等有关。
2.压气机
2.1
马氏体不锈钢因具有较好的热强性、抗氧化性、减振性及抗腐蚀性而广泛应用于制造汽轮机叶片【3】，因此，重型燃气轮机压气机叶片选材与以往的火电机组叶片用钢相似，但因燃气轮机的工况与火电机组不同，在正常运行时， 进气温度较低，前几级叶片接近大气温度，后几级叶片最高可达450 ℃，并且机组运行启停频繁， 所以要求叶片材料具有良好的韧性性能和较高的疲劳强度。图1列出了某 F 级燃气轮机压气机叶片使用的材料牌号。压气机前4 级动、静叶片，包括进口导叶，为模锻成形，其余叶片为型钢直接加工成型。同一种材料，不论由模锻成形还是由型钢直接加工，材料的性能要求相同。
参考文献
【1】彭建强,张宏涛,周欢欢,马新博,冯天澍. 工业燃气轮机透平叶片材料综述[J]. 热力透平,2016,(02):153-158.
【2】何国,李建国,毛协民,傅恒志. 单晶高温合金的发展及其改善性能的途径[J]. 材料工程,1992,(S1):109-111+115.
【3】朱张校,姚可夫.工程材料（第四版）.清华大学出版社，北京.
2.2.2
为减少材料性能的各向异性，满足纵横向性能差异不超过 10% 以及 FATT 的要求，叶片锻造前根据叶片毛坯大小选用合适的圆钢尺寸，以达到足够的锻造比。在出坯时，进行反复镦拔，充分锻透，使材料组织均匀，晶粒细化，在提高材料强度的同时，也改善了材料的韧性，达到较好的综合力学性能。X20Cr13 批量生产的统计数据表明，增加锻件的锻造比，可提高材料的韧性，从而降低 FATT，如图2所示。
【5】孙勇. 重型燃气轮机压气机叶片可靠性分析[D].哈尔滨工业大学,2015.
【6】吕成. 数值模拟技术在燃气轮机零部件锻造及热处理过程中的应用[D].大连理工大学,2007.
众所周知，在高温下晶界的强度低于晶内强度，材料的高温失效为晶界滑移的蠕变变形方式。因此，为了提高透平叶片主要受力方向（纵向）的性能，开发了定向凝固精密铸造技术，使叶片材料的晶粒沿主要受力方向生长，取消横向晶界，进而大大提高了合金纵向的性能。与传统多晶合金相比，定向凝固合金的蠕变强度提高了１倍多，抗热疲劳性能提高了５倍，抗氧化腐蚀性能提高了１倍多。
图2X20Cr13锻造比与冲击韧性的关系
3.总结
国家两机专项项目已经启动，如何在燃气轮机领域赶超欧美，选取并优化燃气轮机的叶片材料是一个重要途径。利用基本的工程材料知识，辅以文献调研，让我对压气机与透平的叶片选取有了更深的认识。提高材料的耐用性，耐热性，抗交变应力的能力，对提高整机效率与安全运行至关重要。同时对新型合金的应用，让燃气轮机可以负荷更大。
工程材料小论文
燃气轮机叶片材料分析
摘 要：简要分析了燃气轮机透平叶片与压气机叶片的各自不同要求。简述了透平使用材料的发展过程与压气机的工艺与性能。对燃气轮机叶片材料的发展过程与历史做了概括与总结。
关键词：燃气轮机，叶片材料，透平叶片，压气机叶片
1
1.1叶片
1
透平叶片材料的使用温度主要取决于材料的蠕变强度。材料蠕变强度的提高主要通过合金化和制造工艺实现。提高难熔金属（比如Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ和Ｍｏ等）的含量可以提高镍基合金的蠕变强度，因为这些难熔金属的原子质量很大，在合金中很难扩散。这些难熔金属的添加量主要取决于其在合金中的溶解度和形成有害第二相的倾向性。在叶片的使用温度（超过熔点的２／３）下，主要的蠕变变形模型为晶界滑移。通过开发先进的铸造工艺，已经可以制造定向凝固合金和单晶叶片精密铸件，显著提高了叶片的蠕变强度。目前，定向合金和单晶叶片已经广泛运用于先进的工业燃气轮机中。
随着燃气轮机进气温度的不断提高，对透平叶片材料高温性能的要求也越来越高。由于定向凝固合金存在横向晶界，横向性能难以满足叶片的使用要求，因此，开发了单晶制造技术，即整个叶片为一个晶粒。由于消除了所有的晶界，叶片材料的各项性能得到了显著提高。与传统多晶合金相比，单晶合金的蠕变强度提高了８倍，抗热疲劳性能提高了８倍，抗氧化腐蚀性能提高了２倍多。
然而，单晶叶片的制造难度很大，目前主要应用于航空发动机叶片。对于工业燃气轮机透平叶片，由于其尺寸和质量较大（通常是航空发动机叶片的3至4倍），很难采用单晶铸造技术制造。除了GE公司的Ｈ级先进燃气轮机透平第1级动导叶片采用单晶材料N5制造外，世界上主要的先进燃气轮机透平前几级叶片材料均采用定向凝固合金制造，比如三菱公司制造的最先进的1600℃等级Ｊ级燃气轮机透平1-3级动叶采用定向合金DSMGA1400制造。【2】
因此，透平叶片材料必须具有良好的抗氧化性能。热腐蚀通常与燃气中的碱性金属有关，比如Ｎｂ和Ｋ，这些金属会与硫形成熔融的硫化物。即使燃气或空气中的Ｎａ含量在２×１０－６以下，也会造成热腐蚀损伤。因此，透平叶片材料必须具有良好的抗热腐蚀性能。
1
工业燃气轮机的寿命比航空发动机的寿命要长得多，达几万甚至几十万小时。在如此长的时间内，经受高温和高应力的作用，合金的组织结构会发生变化，其中最可怕的是形成σ相和μ相等有害的脆化相。这些相的大量析出，会显著降低持久性、蠕变性能和塑性，使合金变脆。因此，透平叶片材料应具有良好的组织稳定性，保证叶片能够长时间可靠运行。
1.2
如前所述，高温合金蠕变强度的提高是通过合金化和制造工艺实现的。在早期的变形合金中，主要是通过提高Al、Ti含量增加沉淀强化相γ’（Ni3（Al、Ti））的含量，以及通过提高起固溶强化作用的难熔金属的含量来实现合金蠕变强度的提高。典型合金有IN738、IN939等。随着强化相γ’和难熔金属添加量的不断增多，合金的塑性越来越差，热变形抗力越来越大，以至于无法通过锻造等变形方式制造。于是，技术人员便开发了高温合金的精密铸造工艺。采用传统的精密铸造工艺制造的高温合金材料为等轴多晶组织。
图1压气机叶片材料Biblioteka Baidu4】
2.2
2.2.1
从技术要求看出，叶片材料在满足强度条件的情况下，要求更好的韧性，如FATT（脆性断裂时间）尽可能低【4】，晶间断裂率要求小于 10%。这不仅要求材料具有细小的晶粒度，低的δ － 铁素体含量，均匀无偏析的组织，而且必须有较高的纯净度，即夹杂物含量少、尺寸小、分布弥散。经电渣重熔生产的钢材质量和性能可以得到有效的改善，钢的低温、室温和高温下的塑性和冲击韧性增强。【5】
1
燃气轮机进气温度的提高会使透平叶片更多地受到的热循环载荷作用。为了降低叶片的工作温度，通常将叶片设计为空腔结构，以便采用空气或蒸汽对叶片进行冷却，但是这样却增加了叶片受到的热循环载荷作用。因此，为了使叶片能够承受高热循环载荷，叶片材料必须具有优异的冷热疲劳性能。
1
由于透平叶片的工作温度极高，合金中的元素很容易与燃气中的氧反应生成各类氧化物，这会降低合金的元素含量，从而使合金的性能劣化，合金元素损失过多还会造成叶片失效。合金的氧化行为主要与合金成分、铸造偏析和暴露环境等有关。
2.压气机
2.1
马氏体不锈钢因具有较好的热强性、抗氧化性、减振性及抗腐蚀性而广泛应用于制造汽轮机叶片【3】，因此，重型燃气轮机压气机叶片选材与以往的火电机组叶片用钢相似，但因燃气轮机的工况与火电机组不同，在正常运行时， 进气温度较低，前几级叶片接近大气温度，后几级叶片最高可达450 ℃，并且机组运行启停频繁， 所以要求叶片材料具有良好的韧性性能和较高的疲劳强度。图1列出了某 F 级燃气轮机压气机叶片使用的材料牌号。压气机前4 级动、静叶片，包括进口导叶，为模锻成形，其余叶片为型钢直接加工成型。同一种材料，不论由模锻成形还是由型钢直接加工，材料的性能要求相同。
参考文献
【1】彭建强,张宏涛,周欢欢,马新博,冯天澍. 工业燃气轮机透平叶片材料综述[J]. 热力透平,2016,(02):153-158.
【2】何国,李建国,毛协民,傅恒志. 单晶高温合金的发展及其改善性能的途径[J]. 材料工程,1992,(S1):109-111+115.
【3】朱张校,姚可夫.工程材料（第四版）.清华大学出版社，北京.
2.2.2
为减少材料性能的各向异性，满足纵横向性能差异不超过 10% 以及 FATT 的要求，叶片锻造前根据叶片毛坯大小选用合适的圆钢尺寸，以达到足够的锻造比。在出坯时，进行反复镦拔，充分锻透，使材料组织均匀，晶粒细化，在提高材料强度的同时，也改善了材料的韧性，达到较好的综合力学性能。X20Cr13 批量生产的统计数据表明，增加锻件的锻造比，可提高材料的韧性，从而降低 FATT，如图2所示。