液态金属冷却法制备工业燃气轮机涡轮叶片的研究进展

46I索言乞鼢揍IDONGFANGTURBINE王天剑杨功显东方汽轮机有限公司李椿蓄朱广镭四川德阳，618000摘要发电用工业燃气轮机涡轮叶片与航空发动机用叶片相比，在尺寸、运行环境及制备工艺方面都有很大的差异。文章介绍了用定向凝固技术中液态金属冷却LMC法，制备工业燃气轮机涡轮叶片的工艺ZTX_艺参数、模拟技术方面的研究进展。关键词液态金属冷却法大尺寸叶片进展DEVELOPMENTOFTHEINDUSTRIALGASTURBINEBLADEFABRICATEDBYLIQUIDMETALCOOLINGPROCESSWANGTIANJIAN，YANGGONGXIAN，LILINXU，ZHUGUANGZHIDONGFANGTURBINECO，LTDDEYANGSICHUAN618000ABSTRACTTHEREWERELOTSOFDIFFERENCELIKEDIMENSIONS，RUNNINGENVIRONMENTANDFABRICATIONTECHNOLOGYBETWEENINDUSTRIALGASTURBINEBLADESANDAVIATIONONESINTHISPAPER,THEDEVELOPMENTOFINDUSTRIALGASTURBINEBLADESPRODUCEDBYLIQUIDMETALCOOLINGPROCESSWASINTRODUCEDKEYWORDSLIQUIDMETALCOOLING，LARGEDIMENSIONSBLADE，DEVELOPMENT0I言从20世纪70年代以来，工业燃气轮机的燃气温度不断提高。燃气温度每增加10C，燃气一蒸汽联合循环效率提高大约1。美国GE公司制造的第三代H级工业燃气轮机的进气温度已经达到1430，而正在研发中的第四代工业燃气轮机，其进气温度更是达到1600C1800C。温度的提高，意味着对燃气轮机材料，特别是第一级涡轮叶片材料的高温性能要求越来越高。随着工业燃气轮机在燃机市场中的份额逐渐增大，世界各国对自然资源的利用率以及工业废气低排放的要求越来越高，材料和工艺的研究重点将向工业燃气轮机转移。由于传统的快速冷却法HRS在制备大型工业燃气轮机叶片方面存在一系列弊端，因此，液态金属冷却法LMC逐渐成为世界各国研究的重点。本文就定向凝固技术中液态金属冷却法制备工业燃气轮机叶片在合金成分、工艺参数、模拟技术等方面的研究进展进行总结和概述。1工业燃气轮机叶片的特点与航空发动机涡轮叶片相比，工业燃气轮机作者简介王天剑1984一，男，工学硕士，主要从事汽轮机、燃气轮机新村料的研发工作。午有以下特点1发电用工业燃气轮机叶片高温运行时间矢。在航空发动机的整个寿命期，涡轮叶片在犟温度下作总时数不到LO00D,时，而巡航时共不25OOO时，在巡航期间，航空发动机仑叶片运转温度实际上比业燃气轮机稳态时转温度还低。对于工业燃气轮机叶片，其运寸问更是大于50000D“时，它要求有更高的K时己性。2发电用工业燃气轮机叶片尺寸更长，重重。这是工业燃气轮机叶片与航发动机叶最明显的差别。图1为GE公司制造的F级燃气轮每一级涡轮叶片同航空发动机涡轮叶片的比较其零件尺寸增人了10倍以上，同时，零件重增加了20倍。因此，对其制各T艺提出了的要求。3发电用工业燃气轮机可使，LJ相对较差燃航空发动机涡轮N十片可靠性要求高、尺寸叶片冷却通道小，必须通常使用高质量燃有害杂质元素较低，腐蚀性较低。而发电用燃气轮机叶洽恰相反，通常可以使用相埘兰的燃料，因此对高温部件的腐蚀就会更加严。因此，将先进的航空发动机涡轮叶片制备技直接用于制备发电用工业燃气轮机涡轮叶片通的，需要根据实际情况进行工艺改进。工、J燃气轮机第一级涡轮I1片典的航发动机涡轮片外形的比较国内外的研究进展液态金属冷却法最早由GIAMEI于1976年在美3763926的基础提出，它将拉出的铸件部DONGFA索NG言T芘UR粉BIN拨EL47I分浸入具有高导热系数、高沸点、低熔点、热容量大的液态金属中，从而获得更高的温度梯度、抽拉速率及生长速度。然而，由于当时快速冷却法在制备小型定向凝固柱晶和单晶涡轮叶片方面已经比较成熟，同时液态金属冷却法的设备也更加复杂和昂贵，因此未能得到充分的重视和发展。2O世纪80年代，前苏联制造了一系列的LMC炉，制备了第一代定向凝固柱晶单晶叶片，并将这些叶片用在先进的航空发动机中。从90年代初开始，由于工业燃气轮机发展的迫切要求，采用传统的快速冷却法已经无法满足大尺寸叶片的制备要求，世界各国才开始对LMC法制备大型工业燃气轮机部件，制定了研究计划并展开深入的研究。21合金成分的发展镍基高温合金从航空发动机应用到适应于工业燃气轮机后，对于合金的选择和化学成分的调整是非常必要的，合金化学成分的调整可以防止在大型部件中形成与冶炼有关的缺陷，如雀斑、疏松及热裂纹等。最早应用到工业燃气轮机中的第一代定向凝固高温合金为高CR；H高TIA1比的镍基高温合金，这是为了适应高热腐蚀的工作环境。其典型的牌号为PWA1483及其改进型，CMSX11系列，这些合金的CR含量在12WT15WT之间。然而，在抗腐蚀的镍基合金中CR的含量超过12WT13WT时，必须限制所有合金元素的数量，以免在合金组织中形成脆性的片状形态6相，富集CR、MO、CO和其它元素的6相的形成会导致这些元素固溶体贫化，并相应地降低了镍基合金的耐蚀性和强度性能。进一步的研究表明，提高W、MO、TA、RE这几种难熔元素的总量，降低CR元素的含量也可以保证合金的高温蠕变强度，因此，在第二、三代合金中的CR含量有了明显的降低，而提高了W、TA、RE的含量，如第二代的CMSX一4，该合金中含有3的RE，W含量从CMSXII的45WT提高到了6WT。而CR含量降低到了65WT。由于RE较贵，同时，由于RE的存在会使得合金中容易析出TCP相。因此，当时法国开发的MC2合金，虽然它不含RE，但是它的高温蠕变强度和含RE的第二代合金相当。在第三代合金中，研究人员试图将RE的含48F索言汔扮揍1DONGFANGTURBINE量提高LJ6WT，从而更进步提高合令的高温性能，但其难点是要改善蠕变强度而小增加合金密度，且不容易析出TCP相。J水第代合金TMS一75，其CR含量只有3WT，通过提高W、RE含量，其抗腐蚀性能优于第代含CR65WT的合金。美国GE公司研制的第三代RENEN6合金巾，TA含量提高到72WT，从而能有效地提高合金的高温强度和铸造性能，同时Y元素的加入，能够提高氧化铝涂层和基体之间的结合度“。在第四代合金中，H本学者对RU的加入做了一定的研究，同RE相比，RU最明显的优势是具有较低的密度和较低的TCPH析出的倾向，同时还能提高合金中强化相的高温稳定性，其典型的牌号为TMS一138，其中含有20WT的RU。目前已经进行到了第五代的研究，如R本的TMS一162，其RU元素的加入量提高到了6WT。五代典型合金的成分如表1所示。表1燃气轮机涡轮叶片用高温合金的成分WTP1480PWA1483CMSX2CMSXL1BRONEN4BA1BALBA1BA1BA11906O5243R8O第二代合企0105121555413661565423644237第44合金四代从表1可以看到，随着使HJ温度的不断丹，合金中固溶强化元素W、MO、TA、RE、RU的总含量在不断地增加，如采用快速冷却法，铸件拉出炉膛后，辐射传热将占据主要的冷却方式，当制备长度为超过600MM的工业燃气轮机叶一时，尤法获得足够高的温度梯度和凝固速度，目制备时问将长达512D时，对于I业燃气轮机时片的大规模工业化生产不利。同时，在定向凝吲过程中很容易出现严重的宏观和微观偏析，从而形成裂纹、低角晶界以及在后续的热处理和服役过程中形成有害的TCPH”川，减轻这些缺陷的方法只有提高温度梯度和加快凝固速度。22液态金属冷却法工艺研究进展221冷却介质对于液态金属冷却法，首先需要考虑的就是冷却介质的选择。要制备较大尺寸的工业燃气轮机涡轮叶片，冷却介质应具有低的熔点、低的蒸汽压、高的热传导性、低粘性、无毒以及经济性。表2示了目前两种符合使用要求的冷却介质的热力学性能。从表中可以看到，铝具有很高的热传导系数，同时，铝也是镍基合金中重要的元素。前苏联在20世纪80年代就采用液态铝作为冷却介质，制备小型的航空燃气轮机涡轮叶片，取得了不错的成果。然而，铝的熔点却比锡高了59578430C。这样，在凝固过程中无法形成较高的温度梯度，对于制备大尺寸工业燃气轮机叶片不利。而采用液态锡作为冷却介质，虽然它的热传导系数比铝要低，但是由于其较低的熔点，因此在凝固过程中能够形成很高的温度梯度，同时能够获得较高的凝固速度。表2液态锡和铝的热力学性能由于在凝固过程中不可避免的会发生冷却介质渗入型壳而与合金表面接触的现象，锡与镍在合金表面会形成一层致密的化合物层，从而避免锡液的进一步渗入，这一层化合物也很容易在后续的处理中除去。根据研究，即使合金中的锡含量高达1WT，几乎对合金的蠕变和拉伸性能没有影响。LOHMULLER系统地研究了两种不同的液态金属作为冷却介质时对制备大型燃气轮机叶片组织的影响，结果表明，当镍基高温合金在12501380的凝固区间时，锡的热传导热力比锱要高13倍；当合金在300直接与锡液接触300MIN后，几乎没有发现锡液深入渗透到合金中，而在700的铝液中接触15MIN，就发生了严重的表面组织变化，同时，少量锡液渗透到镍基合金中去，对合金中Y强化相的形态和分布没有影响。222设备及工艺参数前苏联航空材料研究院在2O世FFSO年代中期开发出了一系列的液态金属冷却炉，型号包括UNVE3，UNVE一4，UNVE一5等，应用较为广一阔的型号为UNVK一8P，采用铝液作为冷却介质，主要用于制备小型的航空发动机用涡轮叶片，可实现可控定向凝固。为了满足工业燃气轮机较大尺寸的叶片要求，需要开发出大型的定向凝固炉。1994年，一台容积为38KG的LMC定向凝固炉在德国的爱尔兰根大学建造，采用液态锡为冷却介质，它制造出的部件最大长度为500MM，该炉主要用于研究定向凝固过程中的一些重要参数。在此研究DONGFANT芘URBNE149GGIL。的基础上，德国的DPCDONCASTERSPRECISIONCASTING公司建造了当时世界上最大的LMC定向凝固炉，其冷却介质为液态锡，最大容积为LOOKG，制造的最大部件长度为LO00MM。美国的GE公司也制造了大型的LMC定向凝固炉，并且采用了锡和铝这两种不同的液态金属作为冷却介质，其容积为55KG，制造的最大部件长度为800MM。目前，世界上大型的LMC定向凝固炉基本上由德国ALD公司设计和制造。液态金属冷却法重要的工艺参数包括抽拉速率、温度梯度等等，其中，抽拉速率对合金获得良好的组织和性能非常重要。研究表明“，不同的抽拉速率会导致在凝固过程中形成不同形状的液固相界面，如图2所示。抽拉速率的不同也会导致枝品组织呈现出不同的枝晶问距，当速率从25MMMIN上升到85MMMIN时，一次枝品问距由3151AM降低到245UM。抽拉速率的提高能细化Y相和碳化物，从而提高合金的性能。对于制备尺寸较长的工业燃气轮机叶片，如果抽拉速率过低，将大大增加每次定向凝固所需要的时间，可能会导致金属熔液与模壳之间的反应以及模壳的破损。采用液态金属冷却法后，如果抽拉速率提高到85MMMIN，制备长为40英寸的部件，所需要的时间仅为2小时。因此，选择一个合适的抽拉速率对制备大尺寸叶片非常重要。囡衄豳CJBI1BMN图2不同抽拉速率对凝固过程中合金液相界面形状的影响在定向凝固过程中，当温度梯度不够高时，容易在合金中出现裂纹、偏离择优取向的晶粒、不连续的柱品等缺陷。研究发现，当一次枝晶间距小于320M时，单晶高温镍基合金中没有这些缺陷的存在。当枝晶间距在320；M600M之间时，偏离择优取向的晶粒和裂纹等缺陷的数量增长较快。当枝晶间距继续增大时，就会出现等轴晶粒。采用液态金属冷却法时，在不同的抽拉速率50L圣右乞粉找IDONGFANGTURBINE下，能够极大地减少这些缺陷的发。HUANG分别采用快速冷却法和液态金属冷却法，定向凝固制备了长度为LOORMN、150MM、470MM、750MM的试棒，研究发现，在快速冷却法制备的试样中，都出现了裂纹，而采用液态金属冷却法制备的试样中没有裂纹的产生。223陶瓷型芯为了提高叶片的承温能力，先进的工业燃气轮机涡轮叶片采用空心的复杂冷却通道，陶瓷型芯作为形成空心叶片形状的转接体，其作用是形成空心叶片的内腔结构，与外形模及模壳共同保证叶片壁厚的尺寸精度要求和叶片质量。目前国际上采用的陶瓷型芯丰要包括氧化硅系列和氧化铝系列。英、美等国早在20世纪80年代就研发出氧化硅基陶瓷型芯，该陶瓷型芯以石英玻璃粉作为基体材料，附加ZRSIO、ZRSIOY0。、ZRSIOGD。0。作为强化相团，依靠控制方石英量来保证和提高型芯的综合性能，型芯使用温度为15201560。C，在1500。C1550的浇注条件下成品率较高，而且易于用碱液腐蚀掉，但当温度大于1550，用于单晶浇注时，叶片的合格率会受到影响。由于在定向凝固制备单晶时，要求型芯能够承受1520C1600C的高温30MIN以上。与氧化硅基陶瓷型芯相比，氧化铝陶瓷型芯冶金化学稳定性、抗蠕变性能好，可保证内腔结构复杂的定向柱晶和单晶空心叶片的尺寸精度和合格率，并能降低叶片的制造成本，因此很适合高级单晶浇铸条件使用，最高可达1850。C。因此，氧化铝陶瓷型芯在定向凝固单晶合金中使用较为广泛。美国的GE公司在2O世纪80年代研制成功添加Y。0。、LA0用于叶片的氧化铝陶瓷型芯。北京航空材料研究院研制了型号为ACIIJAC一2的氧化铝基陶瓷型芯，其中AC一1型芯组成为9299的AA1，0，18TC一1，夕力口1318的增塑剂。实践表明，AC一1型芯能承受高达1560的工作温度，浇成率一般高于70，浇注的叶片壁厚较为均匀。AC一2型邕的综合性能优于AC一1，但目前还未用于工业生产。由于氧化铝陶瓷型芯脱芯非常困难，采用氢氟酸脱芯的方法容易导致叶片组织受损，因此，目前国外大多仍采用氧化硅陶瓷型芯。随着燃机叶片的进一步发展，形成其空心内腔的陶瓷型芯结构更加复杂，尺寸更小，所承受的工作条件也越来越苛刻。最新的型芯材料研究致力于纳米复合陶瓷型芯，研究表明，纳米复合陶瓷较单一组分陶瓷能大大提高断裂强度、断裂韧性及耐高温性能，并能降低烧结温度，这些性能的提高对复杂细微结构的陶瓷型芯非常有利。23模拟技术在LMC中的应用为了研究液态金属冷却工艺过程中各个参数对合金组织和性能的影响，一些科研工作者对LMC过程进行了数学模拟。FITZGERALD对采用LMC造大型定向凝固部件建立了一维的数学分析模型，HUGO采用有限元分析法，在铸件与液态金属之间建立一个不变的热传导系数，对LMC过程建立了二维的模型，通过这两个模型计算出了最佳的抽拉速率，凝固界面的温度梯度以及延凝固方向的温度曲线图。同时，对影响定向凝固过程的各个重要参量如加热温度、冷却介质、陶瓷型壳的热传导性及厚度进行了分析。结果表明，通过降低冷却介质温度，减小隔板和型壳厚度以及提高型壳的热传导性，可以提高温度梯度和抽拉速率。KERMANPUR采用PROCAST软件对空心涡轮叶片进行了三维模拟，建立了随时间和温度变化的热传导系数，对定向凝固过程制备的叶片晶粒组织进行了模拟，求出最佳抽拉速率为55MMMIN，随着抽拉速率的增加，在铸件中就越容易出现偏离001方向的柱晶。在随后的研究中，通过三维模型对LMC过程中的重要工艺参数进行了改进，包括改进LMC设备的尺寸，优化模具的厚度、设计，改变抽拉速率等，改进后的定向凝固铸件中偏离001方向的晶粒数显著降低，同时，叶片顶部的横向晶界也减少。通过模拟技术来实现LMC过程的最优化，能够有效地降低研究成本，同时，对实际的研究和生产提供了可靠的工艺数据。因此，模拟技术得到了广一泛而深入的研究，对大型工业燃气轮机叶片的制备提供了良好的促进作用。3结语誊器辫糕液态金属冷却法是一种具有广阔应用前景的定向凝固工艺，通过技术的改进，能够实现大型工业燃气轮机柱晶和单晶叶片的规模化生产，对于进一步提高燃机进气温度，延长涡轮叶片的使用寿命、提高机组效率起到很大的推动作用，国外在这方面的研究已经走在了前面。目前我国生产的大型燃气轮机中，国产化率还有待提高，特别是核心部件一一定向凝固涡轮叶片制造技术，还主要靠合资技术。因此，对制备定向凝固柱晶单晶涡轮叶片开展深入的自主研究是十分必要的。参考文献MATTAGK，MERCERGD，TUTHILLRSPOWERSYSTEMSFORTHE21STCENTURY一“H”GASTURBINECOMBINEDCYCLESGEPOWERSYSTEMS，200I2】BALSONESJNICKELBASESUPERALLOYMATERIALSTECHNOLOGYFORADVANCEDIGTAPPLICATIONSNIOBIUMFORHIGHTEMPEATUREAPPLICATIONEDYWKIMANDTCARNEIROWARRENDALEPATMS，2004，39【3J杨素玲，郑运荣电站燃气涡轮用单晶高温合金的发展机械X程材料，2002，2646104】TSCHINKELJG，GIAMEIAF，KEARNBH，ETALUSPATENL,，3763926，1973F5JGIAMEIAF，TSHINKELJGLIQUIDMETALCOOLINGANEWSOLIDIFICATIONTECHNIQUEMETALLURGICALANDMATERIALSTRANSACTIONA，1976，7814271434【6】KABLOVEN，GERASIMOVVV，DUBROVSKIIVA，ETA1郝应其译定向结晶时高温合金组织控制的工艺前景材料工程，1996，5162O【7】李建萍合金元素对镍基单晶合金性能影响的研究南昌大学学报理科版，2001，254103106【8JZHENG，Y，WANG，X，DONG，J，ETALEFFECTOFRUADDITIONONCASTNICKELBASESUPERALLOYWITHLOWCONTENTOFCRANDHIGHCONTENTOFWMINERALSMETALSANDMATERIALSSOCIETYAIME，SUPERALLOYS2000USA，3153119】KOIZUMIY，KOBAYASHIT，KIMURAT，ETA1THIRDGENERATIONSINGLECRYSTALSUPERALLOYSWITHEXCELLENTPROCESSABILITYANDPHASESTABILITYPROCEEDINGSOFTHE6THLIEGECONFERENCE，”MATERIALSFORADVANCEDPOWERENGINEERING”199810891097F10】POFFOCKTM，MURPHYWH，GOLDMANEHGRAINDEFECTFORMATIONDUNNGDIRECTIONALSOLIDIFICATIONOFNICKELBASESINGLECRYSTALS，SUPERALLOYS1992，125134【11ROSSEW，OHARAKSRENE142AHIGHSTRENGTH，OXIDATIONRESISTANTDSTURBINEAIRFOILALLOYSUPERALLOYS1992257265索言汔粉按IDONGFANGTURBINEI51【12】YUTAKAK，JIANXZ，TOSHIHARUK，E1A1IEVELOPMENTOFNEXTGENERATIONNIBASESINGLECRYSTALSUPERALLOYSCONTAININGRUTHENIUMJOUMALOFTHEJAPANINSTITUTEOFMETALS，2003，679468471【13】TINS，POLLOCKTMPHASEINSTABILITIESANDCARBONADDITIONSINSINGLECRYSTALNICKELBASESUPERALLOYSMATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGA，2103，34812111121【14】RAECM，REEDRCTHEPRECIPITATIONOFTOPOLOGICALLYCLOSEPACKEDPHASESINRHENIUMCONTAININGSUPERALLOYSACTAMATERIALIA，21J1，491941134L2515LDRESHFIELDRL，J0H11SONWA，MANRERGANASAREPORL,，NOTM一86866，GLENNRESEARCHCENTER1984【16JLOHNMELLERA，ESSERW，GOSSLNANNJ，ETALIMPROVEDQNALIL,YANDECONOMICSOFINVESTMENTCASTINGSBYLIQUIDMETALCOOLINGTHESELECTIONOFCOOLINGMEDIA，SNPERALLOYS2000，SEVENSPRINGS，THEMINERALSMETALSMATERIALSSOCIETY，S，181188【17JGROBMANNJ，PREUHSJ，EBERW，R，ETA1INVESTMENTCASTINGOFHIGHPERFORMANCETURBINEBLADESBY