文档介绍：用于先进的工业燃气轮机(IGT)的镍基高温合金材料技术
Stephen J. Balsone
GE Gas Turbines, LLC
. Box 648; Greenville, SC 29602-0648, USA

关键词:镍基,高温合金,燃气轮机,熔模铸造,钢锭熔炼,锻造

摘要:工业发电和航空发动机的所有燃气轮机的燃烧温度在过去的三十年里有所提高。最近,
航空发动机的温度提高速率已经变慢,但工业燃气轮机(IGT)的温度提高速率并未变慢。
因此,这两类燃气轮机的材料温度性能要求有所重合。多年来,军用和商用航空发动机的高
性能要求推动了先进材料和工艺的发展。由于功率、效率和可靠性的要求持续提高,目前许
多这一类的高温材料正用于 IGT。已经开发成功定向凝固和单晶镍基高温合金用于熔模铸造
的高温燃气通道部件,并将尺寸增大到 IGT 部件所需的零件尺寸,但是在可生产性、缺陷
公差和维修等方面仍然存在重大挑战。在钢锭熔炼、浇铸、锻造和检验方面取得重大进展后,
变形镍基高温合金,例如 706 合金和 718 合金,正用于 IGT 转子结构中。本文将讨论镍基
高温合金在 IGT 中的应用,特别强调生产大型 IGT 高温燃气通道及转子部件所需的技术发
展。从航空发动机大小的零部件扩大到大型 IGT 尺寸的零部件的过程,引起了独特的材料
发展和工艺挑战。
1 引言
自从二十世纪七十年代初以来,为电站生产的大型、陆地的 IGT 的功率和效率都持续
提高。这种提高很大部分归功于高温结构材料的引入。在过去的 30 年里,这类先进材料的
使用导致燃气轮机的燃烧温度从 982℃(1800℉)提高到 1427℃(2600℉)以上。燃烧温度
每增加 10℃(50℉),燃气轮机联合循环的效率提高大约 1%。效率提高 1%,对一个打算以
最低成本给用户输送电力的电站生产商而言,意味着节约了数百万美元。

镍基高温合金是为高温、高强度结构应用而选择的合金,已经形成供 IGT 高温燃气通
道部件,如涡轮叶片、喷嘴和壳体的标准。许多这一类熔模铸造镍基高温合金来自于为商用
和军用航空燃气轮机而开发的航空发动机合金。此外,高强度变形镍基高温合金,例如 706
合金和 718 合金,已经取代 GE IGT 转子中应用的合金钢。二十世纪 80 年代后期,706 合金
作为 IGT 镍基高温合金锻件首先得到生产应用。1995 年引入第一个 718 合金的 IGT 锻件。

除了熔模铸造和变形高温合金之外,为 IGT 应用的其它高温材料也处于生产或正在开
发的阶段。高温涂层,例如抗氧化和抗腐蚀的金属涂层,以及热防护的陶瓷涂层,正在形成
用于高温燃气通道和燃烧室金属构件的标准。陶瓷基体复合材料正在开发应用于一些高温部
件,例如涡轮壳体、燃烧室衬里和涡轮喷嘴。本文将集中介绍为先进的 IGT 应用而开发和
引入的镍基高温合金技术。
2 镍基高温合金材料及工艺的最新进展
叶翼应用
过去几十年里,GE 公司先进的叶翼合金的开发是从多晶的镍基高温合金,如 U500、
U700 和 738 合金发展,然后再是定向凝固的(DS)GTD-111TM。GE 公司正在生产使用
的最先进的 DS