工业燃气轮机涡轮叶片用铸造高温合金研究及应用进展
燃机电厂燃气轮机叶片修复技术研究与实践
燃机电厂燃气轮机叶片修复技术研究与实践燃机电厂燃气轮机叶片修复技术研究与实践随着能源需求的不断增长，燃机电厂在电力生产中扮演着重要的角色。
而燃气轮机作为关键设备之一，其叶片的正常运行对于电厂的高效稳定运行至关重要。
然而，由于长期高温高压工作环境，叶片发生磨损、腐蚀、疲劳等问题是不可避免的。
因此，燃气轮机叶片修复技术的研究与实践具有重要的现实意义和发展前景。
一、燃气轮机叶片的磨损问题及其修复方案燃气轮机叶片由于长期高温高压工作环境的影响，容易出现磨损现象。
常见的磨损形式有表面磨损、边缘磨损和背面磨损等。
为了解决这些问题，研究人员提出了多种修复方案。
1. 表面喷涂修复技术表面喷涂修复技术是一种常见的叶片磨损修复方法，其主要通过在叶片表面喷涂陶瓷材料或高温合金材料来提高叶片的耐磨性和耐腐蚀性。
这种修复方法不仅能够修复叶片表面的磨损，还可以提高叶片的使用寿命和性能。
2. 激光熔覆修复技术激光熔覆修复技术采用激光束对叶片表面进行高温熔化，然后将金属粉末喷射到受损区域，通过熔覆和复合作用形成新的覆层。
这种修复方法不仅能够修复磨损叶片的表面，还可以提高其抗腐蚀和抗疲劳性能。
3. 离子注入修复技术离子注入修复技术是利用离子束撞击叶片表面，将离子注入叶片内部，从而改变叶片材料的化学成分和物理性能。
这种修复方法可以提高叶片的硬度、耐腐蚀性和耐磨性，有效延长叶片的使用寿命。
二、燃气轮机叶片腐蚀问题及其修复方案除了磨损问题，燃气轮机叶片还容易受到各种化学气体的腐蚀影响。
常见的腐蚀形式有氧化腐蚀、硫化腐蚀和氯化腐蚀等。
为了解决这些问题，研究人员也提出了多种腐蚀修复方案。
1. 阻隔涂层修复技术阻隔涂层修复技术是一种常见的叶片腐蚀修复方法，其主要通过在叶片表面涂覆耐腐蚀性强的涂层，阻隔进一步的腐蚀发生。
这种修复方法不仅能够修复叶片的腐蚀损伤，还可以提高叶片的腐蚀抵抗能力。
2. 化学溶液修复技术化学溶液修复技术利用特定的化学溶液对叶片表面进行腐蚀清理，去除叶片表面的腐蚀产物和氧化层，恢复叶片的原始材料表面。
燃气轮机高温部件热疲劳行为研究
燃气轮机高温部件热疲劳行为研究燃气轮机是现代工业领域重要的能量转换设备，广泛应用于电力、石油、航空等领域。
燃气轮机的高温部件承受着严酷的工作环境，热疲劳是其最主要的失效模式之一。
因此，燃气轮机高温部件的热疲劳行为研究具有重要意义。
热疲劳是指当材料在高温条件下持续受到热循环加载时，由于热胀冷缩不均匀而引发的材料失效现象。
燃气轮机高温部件在运行过程中会经历频繁的温度波动，这些温度波动无疑加剧了热疲劳的发生。
了解热疲劳行为对于提高燃气轮机高温部件的可靠性和寿命具有重要意义。
热疲劳行为的研究涉及诸多方面的内容，包括材料本身的内部结构、温度梯度引起的应力、热循环引起的变形等。
材料的组织结构对于热疲劳行为具有重要影响。
燃气轮机高温部件通常采用镍基高温合金作为结构材料，该合金具有良好的高温强度和耐蠕变性能，适用于高温、高压和腐蚀等恶劣工况。
研究发现，镍基高温合金的晶界疏松度和晶内析出物的形态分布会对热疲劳寿命产生很大影响。
在实际应用中，燃气轮机高温部件常常需要承受高温和高应力的双重环境。
高温环境下，材料会发生各种热膨胀现象，导致应力产生。
这些应力会随着热循环的变化而变化，进而导致材料的疲劳破坏。
因此，对于燃气轮机高温部件的热载荷和应力状态进行准确的模拟和预测是研究其热疲劳行为的重要内容之一。
热疲劳寿命是评估燃气轮机高温部件耐久性能的重要指标。
通过实验和数值模拟等手段可以获得燃气轮机高温部件的热疲劳寿命。
实验方面，通常采用高温疲劳试验机对材料进行长时间的研究。
通过不同温度、不同加载条件下的实验，可以获得材料在不同工况下的热疲劳寿命。
数值模拟方面，使用有限元分析方法可以对燃气轮机高温部件的热疲劳行为进行预测和优化设计。
这些方法的综合应用可以提高燃气轮机高温部件的可靠性和寿命。
燃气轮机高温部件在长时间高温条件下的热疲劳行为研究需要考虑许多因素，如温度梯度、循环次数、加载幅值等。
这些因素的变化会直接影响热疲劳寿命。
在实际应用中，工程师们需要根据具体工况和材料特性来选择合适的热疲劳试验方案，并进行实验验证。
新型高温合金材料的研究和应用
新型高温合金材料的研究和应用新型高温合金材料是指能够在高温条件下保持良好的力学性能、腐蚀耐久性和热稳定性的金属合金材料。
随着科技的不断进步和人们对节能降耗、提高材料使用寿命的要求不断提高，新型高温合金材料的研究和应用已经成为一个重要的领域。
一、研究背景高温合金最早用于喷气发动机领域，随着材料科学的不断发展和工业技术的不断创新，高温合金已经成为高端制造业领域的重要组成部分，应用范围逐渐扩大到航空、石油、化工、电力等领域。
在航空航天领域，高温合金材料在喷气发动机、涡轮机等部件中得到了广泛应用。
例如，高压涡轮叶片和涡轮盘的工作环境是高温、高压和强氧化的气流，对材料的力学性能、热稳定性和腐蚀耐久性等要求非常高。
在石油和化工领域，高温合金材料被应用于反应加热器、石油裂化炉、煤气蒸气化炉等高温高压的设备中，以提高设备的使用寿命和安全可靠性。
在电力领域，高温合金材料可以用于制造高温流体化床锅炉、燃气透平等设备，以提高能量利用率和减少车间面积。
二、研究进展新型高温合金材料的研究进展主要围绕以下方面展开。
1. 材料设计和合成高温合金的化学组成和微观结构对其性能有着至关重要的影响。
目前，常见的高温合金包括镍基合金、钴基合金和铁基合金等。
为了提高材料的力学性能和耐久性，可以对材料的微观结构进行调控，例如采用精细晶粒化、合理取向控制等技术来提高材料的塑性和疲劳性能。
2. 样品制备和表征合适的样品制备和表征技术对于评价高温合金的性能和研究其力学特性非常重要。
常见的样品制备方法包括真空电弧熔炼、程序控制温度固化、等离子喷涂等方法；表征技术则包括X射线衍射、扫描电子显微镜等。
3. 应用研究新型高温合金材料在航空、石油、化工、电力等领域的应用研究正在不断深入。
例如，在航空领域，新型高温合金材料被应用于制造轻量化发动机、膨胀式喷气发动机、新一代涡扇发动机等，以提高发动机的性能和效率；在石油和化工领域，新型高温合金材料被用于制造焚烧炉、再生炉、反应器、换热器等高温设备，以提高设备的使用寿命和降低维护成本。
镍基单晶合金力学特性及其在冷却涡轮叶片上的应用分析
镍基单晶合金力学特性及其在冷却涡轮叶片上的应用分析一、本文概述本文旨在深入研究和探讨镍基单晶合金的力学特性，以及其在冷却涡轮叶片上的具体应用。
镍基单晶合金，以其出色的高温性能、优良的抗氧化性和卓越的机械强度，在航空航天领域，特别是在高性能涡轮发动机的设计制造中占据了重要地位。
涡轮叶片作为发动机中的关键部件，其性能直接影响到发动机的整体效率和安全性。
因此，研究镍基单晶合金的力学特性，以及如何利用这些特性优化涡轮叶片的设计和制造，具有重要的理论和实践意义。
本文首先将对镍基单晶合金的基本力学特性进行详细的分析，包括其强度、韧性、蠕变行为等关键性能指标。
接着，将探讨这些特性在高温、高应力等复杂环境下的变化规律，以及影响这些变化的主要因素。
在此基础上，本文将进一步分析镍基单晶合金在冷却涡轮叶片上的应用，包括叶片的设计、制造、性能测试等方面。
本文将总结镍基单晶合金在涡轮叶片领域的应用现状和发展趋势，以期为相关领域的研究和实践提供有益的参考和启示。
二、镍基单晶合金的力学特性镍基单晶合金，作为一种高性能材料，具有许多独特的力学特性，这些特性使其在航空、航天等高科技领域，特别是在冷却涡轮叶片的制造中发挥了重要作用。
镍基单晶合金具有极高的高温强度。
在高温环境下，许多金属材料的强度会大幅度下降，而镍基单晶合金则能在高温下保持较高的强度，这对于需要承受高温环境的涡轮叶片来说是非常重要的。
镍基单晶合金具有优异的抗蠕变性能。
蠕变是指材料在长时间持续应力作用下发生的缓慢塑性变形。
镍基单晶合金的优异抗蠕变性能使其在高温和长期应力作用下能够保持较好的尺寸稳定性，这对于涡轮叶片等需要长期承受高温和应力的部件来说至关重要。
镍基单晶合金还具有较好的延展性和韧性。
这意味着在受到外力冲击时，镍基单晶合金能够吸收较多的能量，而不易断裂，从而提高了部件的安全性和可靠性。
镍基单晶合金还具有良好的抗氧化性能。
在高温环境下，金属材料容易发生氧化，导致性能下降。
先进高温合金近净形熔模精密铸造技术进展
先进高温合金近净形熔模精密铸造技术进展一、本文概述随着航空、航天、能源等领域的快速发展，对材料性能的要求日益提高，高温合金作为一种重要的结构材料，在这些领域中发挥着至关重要的作用。
其中，先进高温合金因其优异的高温性能、抗氧化性和抗腐蚀性，成为当前研究的热点。
然而，先进高温合金的制备技术仍面临许多挑战，尤其是其近净形熔模精密铸造技术，更是制约其应用的关键因素。
本文旨在全面综述先进高温合金近净形熔模精密铸造技术的最新研究进展，包括其基本原理、工艺流程、关键技术难题及解决策略等，以期为推动该领域的技术进步提供参考。
本文将简要介绍先进高温合金的基本特性及其应用领域，阐述近净形熔模精密铸造技术在先进高温合金制备中的重要性。
然后，重点分析近净形熔模精密铸造技术的关键工艺环节，包括熔模制备、型壳制造、熔炼与浇注、凝固控制等，并讨论各环节的优化策略。
接着，本文将深入探讨近净形熔模精密铸造技术在先进高温合金制备过程中遇到的主要技术难题，如氧化、热裂纹、缩孔等，并提出相应的解决方案。
本文将展望先进高温合金近净形熔模精密铸造技术的发展趋势，探讨新材料、新工艺、新技术在该领域的应用前景。
通过本文的综述，期望能为相关领域的研究人员和技术人员提供有价值的参考信息，推动先进高温合金近净形熔模精密铸造技术的进一步发展。
二、高温合金及其特性高温合金，也称为超合金，是一类能在高温下保持优异机械性能和化学稳定性的金属材料。
它们主要由铁、镍或钴作为基体，辅以各种合金元素，如铬、铝、钛、钨、钼、铌和钽等，通过精密的合金化工艺制成。
这些合金元素能够增强基体材料的强度、硬度、抗氧化性、抗热腐蚀性和抗蠕变性能，使得高温合金能够在600℃甚至更高的温度下长期稳定运行。
高温强度：高温合金在极高温度下仍能保持较高的强度，这使得它们成为制造高温部件，如航空发动机燃烧室、涡轮叶片等的理想材料。
良好的抗氧化性和抗热腐蚀性：通过添加特定的合金元素，高温合金能在高温环境下形成一层致密的氧化物保护膜，防止了基体材料的进一步氧化和热腐蚀。
重型燃气轮机热端部件材料发展现状及趋势
经过一系列并购、整合，燃 气轮机行业形成了以美国 GE、日本三菱重工、德国 西门子等少数几家公司控制的局面。 国内三大燃气轮机公司——东方电 气集团、哈尔滨电气集团和上海电 气集团分别通过与三菱重工、GE 公 司和西门子公司合作，生产成熟的 E 级、F 级及以上的重型燃气轮机。国 内企业虽然能够与国外企业合作制 造出重型燃气轮机，但尚未完全掌 握热端部件的设计、材料及制造技 术，其中热端部件的用材问题作为
技术是重型燃气轮机叶片制造技术最
表 1 典型的重型燃气轮机涡轮叶片材料
高水平的标志。 近 20 年来，为了保持世界领先
地位，西方发达国家的政府和业界 制订和实施了长期多层次的燃气轮 机技术研究计划，以推动其产品与产 业的进一步发展。例如，美国投资 4 亿美元发起先进涡轮系统（Advanced Turbine System，ATS）计划，欧洲 23 国联合实施科技合作（Cooperation in Science &Technology Program，COST） 计划等。这些计划将材料及其成形 研究置于重要地位，如 COST 计划中 的 501 项目着重对高性能材料及其涂 层技术进行开发，使燃气轮机转子 / 静子叶片等热端部件材料能够承受 更高的温度。日本近年来推出的 21 世纪高温材料计划（High-Temperature Material 21 Project）为重型燃气轮机 用镍基高温合金及其成形技术的进 一步发展提供了机会。
在 137MPa 压力下工作 1000h 可承受的温度 /℃
1100 1000
900
MC-NG
TMS-162 EPM-102
TMS-26 Rene N5 TMS-82
TMS-75
CMSX-4
NASAIR100
高温合金整体叶轮铸造技术的研究进展
在激烈的市场竞争过程中, 发动机的经济性越 来越为人们所关注, 为了降低制造成本, 目前小型涡 轮发动机基本上均采用整体铸造叶轮, 即将叶片和 轮盘一次整体铸造而成。这样不但大大降低了叶轮 的制造成本, 而且在设计上也有许多优点。
在目前先进的小型发动机上, 整体叶轮叶片的 极限 温度 大 于 1000 , 转 数超 过 100000rev /m in。 在这样高的温度和转数条件下, 整体叶轮承受很高 的机械应力和热应力, 容易造成叶片和轮毂断裂。
第 3期
高温合金整体叶轮铸造技术的研究进展
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图 3 M ar M 247合金热控法细晶叶轮 F ig. 3 A lloy M a rM 247 cast turbine w hee l by the rm al con
tro l fine grain process
化学法是通过加入孕育剂, 增加外来结晶核心 来使铸件晶粒细化。铸铁和有色合金铸件经常采用 这种方法。对于高温合金铸件来说, 它是通过将细 化剂 (通常为金属间化合物或硼化物 )直接加入到 合金液内而使晶粒细 化 [ 3] 。由于高 温合金铸件的 熔炼浇注都在真空炉内进行, 因此不太容易控制细 化剂的加入工艺, 且化学法细晶工艺还需依赖于较 低的浇注温度。不同 牌号的合金需 要不同的细化 剂, 应用受到了限制。尤其严重的是细化剂的加入 容易带进外来夹杂, 它是铸件疲劳裂纹的根源 。美
粉末冶金在燃气轮机涡轮盘中的应用
高性能粉末高温合金在涡轮轮盘中的应用涡轮盘是发动机重要的热端部件之一, 它在极为苛刻的条件下工作,船舶运行时承受着启动-停车循环中的机械应力和温差引起的热应力的叠加作用, 因而要求材料具有足够的力学性能和理化性能, 特别是在使用温度范围内要有尽可能高的低周循环疲劳和热疲劳性能, 这是确定涡轮盘工作寿命的关键因素。
粉末（镍基）高温合金由于具有无宏观偏析、晶粒细小、组织均匀和热加工性能好等优点,很快成为高推重比船舶发动机涡轮盘等关键热端部件的首选材料。
一．国内外发展情况俄罗斯粉末高温合金的研究始于60年代末,1978 年, 粉末高温合金涡轮盘正式在军用发动机上使用, 至今已有20多年。
而美国则在1971年由普·惠公司将铸造合金IN100制成合金粉末, 经挤压塑性等温锻工艺制成涡轮盘、压气机转子。
GE 公司还发展了高蠕变性能的AF115粉末合金, 与高拉伸强度的粉末相配合, 为制造双性能盘提供了有利条件。
在制造工艺方面,欧美国家采用的则是氢气雾化的制粉工艺, 以挤压和等温锻为主的成形工艺。
而俄罗斯在近几年也已建立了大气和真空条件下的等温锻装置, 开展了粉末高温合金等温锻和超塑性锻造的研究。
我国粉末盘的研制从80年代初开始, 重点仿制了高拉伸强度粉末合金, 进行了母合金熔炼, 氢气雾化制粉, 粉末处理, 等静压成形,等温锻, 热处理, 超声检验及表面强化等研究。
90 年代初从俄罗斯引进大型的用于工业化生产的等离子旋转电极制粉设备及盘件生产线, 进行了包套模锻盘的试验研制, 发现了存在的一些问题。
因此, 目前我国倾向于采用HIP等温锻或热模锻工艺路线。
80 年代以前, 粉末盘材料的研究主要追求高强度。
近年来, 随着设计结构完整性大纲的贯彻, 出现了适应损伤容限设计的第二代粉末盘材料。
这类材料的特点是裂纹扩展速率比传统粉末盘合金明显降低, 缺口扩展速率对环境的变化不敏感。
这样, 盘件的检修周期可以大大延长, 明显降低了运行费用。
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与传统的柴油机、蒸汽轮机等动力装置相比，工业 燃气轮机具有体积小、效率高、污染低、功率范围广等 优点，广泛用于工业发电、舰船、石油及天然气管路输 送、供热、矿井通风等领域的动力装置&欧美等工业强 国都将燃气轮机的研制作为重要的发展方向&工业燃 气轮机的发展代表着国家重大装备制造业的总体水 平，是国家高新技术和科技实力的重要标志，与国家能 源安全、国防安全密切相关&
第47卷
第6期
2019年6月第34-41页
材料工程
Journal of Materials Engineering
Vol.47 No.6 Jun. 2019 pp. 34-41
工业燃气轮机涡轮叶片用铸造 高温合金研究及应用进展
Researchandapplicationprogressincasting superaloysforindustrialgasturbineblades
机涡轮叶片用铸造高温合金及涡轮叶片制造技术的发展趋势进行了展望。未来，先进定向凝固！材料基因工程”等技术 将逐渐应用到工业燃气轮机涡轮叶片用铸造高温合金的研制中；此外，先进工业燃气轮机上定向/单晶高温合金的应用
将越来越广泛&
关键词：工业燃气轮机；涡轮叶片；铸造高温合金 doi： 10. 11868/j. issn. 1001-4381. 2019. 000128 中图分类号：TG146. 1 文献标识码：A 文章编号：1001-4381(2019)06-0034-08
几十年来，铸造高温合金一直扮演着航空发动机 和工业燃气轮机涡轮叶片用材料的主角当前, 全球每年高温合金需求约28万吨，被广泛应用于航空
航天、舰船、兵器、核电、超超临界火力发电、工业燃气求量的55%，其次是工业燃气轮机（20%）和舰船 （10% ）等 &
single crystal superalloy will be used more and more widely in advanced industrial gas turbines.
Key words:industrial gas turbine；turbine blade；casting superalloy
摘要：工业燃气轮机具有热效率高、污染低等突出优点，成为未来发电机组与大型水面舰船动力的首选设备&铸造高温
合金是工业燃气轮机涡轮叶片等热端部件的关键材料，其性能和制备水平在一定程度上决定了先进燃气轮机的功率、效
率、寿命等性能&本文重点综述了工业燃气轮机及其涡轮叶片用铸造高温合金材料的研究及应用现状，并对工业燃气轮
currentresearchandapplicationstatusandshowsthedevelopmenttrendsofmanufacturingtechnology
of casting superalloy for industrial gas turbines and turbine blades. In the future, technologies such as advanced directional solidification and ^materials genome engineering/ will be used in the research and manufactu,eofcastingsupe,aloyfo,indust,ialgastu,bineblades.Meanwhile, thedi,ectionaland
罗亮，肖程波，陈晶阳，李青，戴圣龙 (中国航发北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室，北京100095)
LUO Liang,XIAO Cheng-bo,CHEN Jing-yang, LI Qing,DAI Sheng-long (ScienceandTechnologyon Advanced High Temperature Structural Materials Laboratory, AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095 , China)
Abstract: Advanced industrial gas turbines are becoming preferred devices for worldwide power generationsandlargeshippowerinrecentdecadesduetoitsoutstandingadvantagesofhighthermal eficiencyandlowpolution.Castingsuperaloyisthekey materialforindustrialgasturbinebladesin hot section components, and to a certain extent their performance and preparation level determine the levels of power, efficiency and service life of the industrial gas turbines. This paper outlines the
航空发动机和工业燃气轮机涡轮叶片按功能分类 包括工作叶片和导向叶片，按结构分类包含实心结构 叶片和空心结构（简单空心、复杂气冷、双层壁超气冷 等）叶片，按成型工艺分则包括等轴晶叶片、定向叶片 和单晶叶片。涡轮叶片材料及其精密铸造技术是航空
发动机和工业燃气轮机的核心关键技术之一*+。航空
发动机涡轮叶片和工业燃气轮机涡轮叶片的选材原则
第47卷第6期
工业燃气轮机涡轮叶片用铸造高温合金研究及应用进展
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基本相同，但各有侧重点，航空发动机注重涡轮叶片材 料的热强性能和承温能力，与航空发动机叶片材料相 比，工业燃气轮机叶片的工作环境要恶劣得多，大多含 硫、钠等杂质，造成热腐蚀，对高温合金部件破坏作用 大;燃机叶片寿命通常达几万乃至几十万小时，承受基 本载荷的时间长；重型燃气轮机叶片尺寸大、质量大& 这就要求工业燃气轮机用高温合金具有更为良好的耐 热腐蚀性能、长期组织稳定性、蠕变寿命和铸造工艺性 能因此，航空发动机涡轮叶片和工业燃气轮机涡 轮叶片材料各自成体系，但也有交叉之处&