高温合金材料在燃气轮机中的应用和发展

燃气轮机在过去几十年中取得了突飞猛进的发展。燃气轮机具有热效率高、污染少、耗水少等优点，参与联合循环的燎气轮机

组能达到更高的热效率，因而燃气轮机在电力上的应用越来越广泛。材料是先进燃气轮机设计、制造技术的基础和保证条件，特别

足高温材料，没有先进的高温材料就不可能设计制造出先进的燃气轮机。高温合金材料是燃气轮机材料中极其重要的组成部分。在

燃气轮机燃烧室、导向叶片、涡轮动叶片以及涡轮盘等部位上都有着广泛的应用。本文就当前燃气轮机所采用高温合金的主要特点

及新技术的应用情况进行了说明和分析，并对目前世界主要国家的研制水平和发展趋势进行了简要的介绍。

一概述

高温合金材料是现代燃气轮机所必需的重要金属材料，它能在高温(一般指600到1100度)氧化气氛中和燃气腐蚀条件下承受

较大应力，并长期使用。20世纪40年代初，英国在镍-铬电热材料的基础上用铝和钛等元素对合金进行强化，促进了镍基高温合金

的发展，同时也为燃气轮机性能的提高创造了必要条件。随后，美国和前苏联也相继研制了高温合金。我国自20世纪50年代末至

今，从无到有，由仿制到独创，基本上形成了我国的高温合金材料系列和科研生产基地。

二高温合金材料的分类

高温合金按基体分类有铁基、镍基和钴基合金。实际上加入了大量的合金元素而成为多组元为基的合金，如铁一镍一铬基合

金;镍-铬一钴基合金等。发展最快、使用最广的是镍基合金，其次是铁基合金。钴基合金在国外也有相应发展，但限于资源，我

国很少研制应用。高温合金以成型方式分为变形合金和铸造合金。铸造合金近年来又发展了定向结晶和单晶合金。利用定向结晶技

术又发展了共晶合金。由于高温合金粉末冶金技术的发展，还可以将一般难以变形的高性能铸造合金转为变形合金。

三高温合金的组织和相

对高温合金性能要求，总的来说必须具有良好的热稳定性、热强性和使用条件下的长期组织稳定性。因此，必须根据不同的使

用要求，合理选择基体，审慎进行合金化，并通过一定的工艺和热处理制度得到必要的组织和性能。高温合金的强化途径有固溶强

化、时效沉淀强化和晶界强化，此外还有氧化物弥散强化。高温合金性能主要取决于合金成份和它的组织结构。组织中特别重要的

是析出相的类型、结构、形状、大小、数量和分布情况等。

四高温合金在涡轮发动机各部位上的应用及特点

由于燃气轮机结构较为复杂，各部位温度和受力情况等，差别较大，因此对材料的要求和选用就各不相同。

4.1燃烧室用高温合金

燃烧室所受的机械应力较小，但热应力较大，对材料的要求主要有:高温抗氧化和抗燃气腐蚀性能;足够的瞬时和持久强度;

良好的冷热疲劳性能，良好的工艺塑性(持久，弯曲性能)和焊接性能;合金在工作温度下长期组织稳定。

4.2 导向叶片用高温合金

导向叶片的第一级是涡轮发动机上受热冲击最大的零件之一。但由于它是静止的，所受的机械负荷并不大。通常由于应力引起

的扭曲、温度剧烈变化引起的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。根据导向叶片工作条件，要求材料具

有如下性能:足够的持久强度及良好的热疲劳性能;有较高的抗氧化和抗腐蚀的能力;如用铸造合金，则要求具有良好的铸造性

能。

4.3 涡轮动叶片用高温合金

涡轮工作叶片是涡轮发动机上最关键的构件之一。虽然工作温度比导向叶片要低些，但是受力大而复杂，工作条件恶劣，因此

对涡轮叶片材料要求有:高的抗氧化和抗腐蚀能力;高的抗蠕变和持久断裂的能力;良好的机械疲劳和热疲劳性能以及良好的高温

和中温综合性能。

4.4涡轮盘用高温合金

涡轮盘在工作中受热不均，盘的轮缘部位比中心部位承受较高的温度，产生很大的热应力。榫齿部位承受最大的离心力，所受

的应力更为复杂。为此对涡轮盘材料要求有:合金应具有高的屈服强度和蠕变强度;良好的冷热和机械疲劳性能;线膨胀系数要

小，无缺口敏感性，较高的低周疲劳性能。

五高温合金的发展趋势和新技术

为满足新一代的燃气轮机对高性能材料的需要，除在定向凝固铸造技术和单晶铸造技术等方面继续发展以外，粉末高温合金技

术和新型的抗高温氧化、抗燃气冲刷防护涂层技术也得了广泛的应用。

5.1 粉末高温合金技术

FGH51粉末高温合金是采用粉末冶金工艺制备的相沉淀强化型镍基高温合金。该合金y相的体积分数为$,-左右，其形成元素的

原子分数为50%左右。合金盘件的制造工艺路线是采用真空感应熔炼制取母合金，然后雾化制取预合金粉末，进而制成零件毛坯。

与同类铸、锻高温合金相比，它具有组织均匀、晶粒细小、屈服度高和疲劳性能好等优点，是当前650度工作条件下强度水平最高

的一种高温合金。该种高温金主要用于高性能发动机的转动部件，如涡轮盘和承力环件等。

5.2 新型涂层技术

要提高燃气轮机涡轮叶片零件工作温度和延长其寿命，对防护涂层，特别是在可能热腐蚀条件下工作的涂层提出了苛刻的要

求。传统的扩散铝化物涂层和渗铝硅涂层已经不能满足高压涡轮叶片抗高温氧化和抗高温燃气高速冲刷的工作要求，只能用于低压

涡轮导向器和整流支柱表面的保护。两种新型涂层等离子喷CoCrAlSiY/ZrO2剃度涂层和电子束CoCrAlSiY/ZrO2剃度涂层已

经在燃气轮机涡轮叶片上得到了应用，由于具有最佳成份的厚度，既满足了叶片的工作条件要求又大大增加涂层与叶片基材的结合

强度，极大地提高了叶片的使用寿命。

在目前的使用中，等离子喷涂CoCrAlSiY/ZrO2涂层主要应用于高压涡轮导向器上，而电子束CoCrAlSiY/ZrO2涂层主要应用于

高压涡轮动叶表面。等离子喷涂CoCrAlSiY/ZrO2剃度涂层是沿高温合金基体至涂层表面的厚度方向上，ZrO2含量逐渐增加，

CoCrAlSiY 含量逐渐减少，表现出涂层成份剃度化分布，剃度涂层层与层间无明显的成份突变，组织呈连续变化，大大提高了涂层

与基材的结合强度。该种涂层最大厚度可达180μm，可降低100~150度的工作温度。电子束:剃度涂层是通过制备一定直径的靶材，

当电子束射击靶材时，通过靶材中的元素蒸发和真空室中连续供给氧气的技术，使金属Zr和Y 原子在CoCrA1Y涂层表面形成在Y2O3

中稳定的ZrO2涂层。涂层成份的变化通过控制电子束喷涂设备的功率来调整。该种涂层最大厚度可达120μm。

可以预见，今后将会有更多的不同元素组成的涂层应用于燃气轮机高温部件上，这样就可以大大提高燃气轮机的效率、可靠性

和经济性，满足不同用途燃气轮机的使用要求。

六 现有水平及发展趋势

美国在20世纪90年代推出了一些新型镍基合金，Haynes242,230,214和556等。新型Inconel718.合金已用于美国F-117飞机发动机

的尾喷管蜂窝夹芯板，该蜂窝夹芯板用超塑性成形扩散连接加工而成，能耐高温、压力和声压。Haynes242为Ni-Mo-Cr时效硬化合

金，具有较高的强度和塑性、良好的抗氧化性和低热膨胀系数，可不用涂层防护，目前这种合金制成的发动机构件现已进入试车阶

段，主要用于发动机环形件和件。Haynes230成份Ni-22%Cr-14%W2%Mo，主要用于发动机燃烧室部件和密封件等。Haynes214的成

份为Ni-16%Cr-4.5%A1-13%Fe-Y，它是一种优良的抗氧化材料，用于蜂窝密封件时，其性能为Hastelloy的8倍。Haynes556为Fe-M-

Cr-Co合金，为用于高温合金的新型焊接材料，主要也用于发动机构件。

美国为节约短缺的战略元素，由NASA的刘易斯研究中心、加州大学和联合技术研究中心共同研制成功一种具有优异性能的铁

基高温合金，成份是20%Cr20%Mn和3.2%C，其余为Fe，其组织特征是含有成排的碳化物。该合金性能可与镍基合金MAR-M200相

匹敌。

俄罗斯在变形高温合金方面发展了一系列镍基合金，Ⅱ222为Ni-Cr-Fe-Mo合金，在800度下抗拉强度为400Mpa。II698在750度

100小时持久强度为392Mpa，用于制造模锻涡轮盘。I868为NI-Cr-W热稳定合金，在700度条件下的抗拉强度为510-560Mpa。国外

在铸造和粉末冶金高温合金方面也研制了大量新型合金，用于制造涡轮盘和壳体等，如镍基铸造合金(Ni-Cr-Fe合金)用于制造氢

氧发动机转子，在超低温下抗拉强度为1200Mpa，在800度下抗拉强度仍为600Mpa。BMA-6抗拉强度大于14000Mpa，用于制造氢

泵。近年来单晶高温合金的研究普遍展开，多种单晶合金不断问世，现已发展到第三代，新材料有PWA1487和MCZ-CMX-4等。此

外新的定向结晶高温合金作为高温合金的一个发展方向，近期发展较快。美国在高温合金的研究应用方面一直处于领先地位，研制

成功的Inconel718镍基合金已在飞机发动机上得到应用。Incone1718的产量在美国高温合金中已占第一位。为满足航天器结构及飞机

发动机结构的高性能要求，美国不断开发新型高温合金材料，如Haynes556等。

日本在镍基单晶高温合金(如TiMS556)、镍基超塑性高合金(如TMP-3)和氧化物晶粒弥散强化高温合金(如TMO-2)方面

取得了较大的成功，上述3种镍基合金的研究采用了计算机合金设计。其中TMS26单晶合金叶片在1040度和137Mpa下的蠕变断裂

寿命超1000小时。MTO-Z等晶粒弥散强化合金的高温强度比单晶合金还高得多。英国较早地开展了高温合金的研究和应用，形成自

已的一系列高温合金体系，如Nimonic系列等。近年来也不断推出新型号的合金材料，如国际镍公司发展的低膨胀系数合金4005

(42Ni-29.5Fe-18Co-6A1-3Nb-1.5Ti)等。合金发展的一个主要特点是日益提高加入合金元素的总量。

我国正在开发一种用于680-700度盘件生产的新型Inconel718(中国牌号GH4169)合金。该改型合金基于Ni-19Cr-18Fe-3Mo-B,

W(NB)较高，为5.2%-5.5%Ni+Ti+A1摩尔分数控制在6.5%-7.5%范围内，(A1+Ti)/Nb原子比控制在1.1-1.4范围内，w(W)1%-2%为

增强固溶强化效果，有时添加低含量的Co，一定含量的P作为该新型合金的晶界强化元素。该改型718合金的科研开发目的在于提高

合金性能以得到高质量特别是更长的应力断裂寿命及提高650-700度的温度特性。目前改型718合金的目标是作为700度的盘件材料。

其改变如下:(1)高温强度(例如700度)特别是应力断裂寿命和蠕变性能必须与传统Incone1718在650度时的性能相同;(2)调

整主要强化元素Nb,Ti，Al(没有添加贵重元素Ta)，同时保持y1和y2沉淀强化特性;(3)加入少量固溶强化元素，例如W和Co，

但Co 含量应尽可能控制得低;(4)P作为一种新的晶界强化元素加入到合金中。另一种我国自主研制的y沉淀硬化镍基高温合金

GH4133(GH33A)，w(Nb)1.15%-1.65%，已生产20多年，广泛应用于700度的各种喷气发动盘件上。为进一步提高持久(蠕变)强度

和断裂韧性，采用加Mg微合金化，增强晶界强化效应，发展和生产了GH4133B合金，目前我国民航机的喷气发动机涡轮盘,燃气轮

机都使用了该合金。

燃气轮机广泛应用于现代的发电、航空航天、船舶等领域，燃气轮机技术水平的高低已成为一个国家科技水平、军事实力的综

合国力的重要标志之一。通过分析目前世界先进发电燃气轮机各主要部件的使用材料，及对未来下一代燃气轮机使用材料的发展趋

势进行讨论，可以有效把握和促进国内当前燃气轮机制造用材料的开发和研究。

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