国内外地面燃气轮机涡轮叶片材料及涂层技术课件.ppt

国内外地面燃气轮机涡轮叶片材料及涂层技术 肖程波 何利民北京航空材料研究院 1 2020 3 21 目录 高温合金发展简史及发展状况燃气轮机发展背景地面燃气轮机技术发展趋势地面燃气轮机叶片材料需求特点国外地面燃气轮机叶片材料发展趋势国外燃机叶片材料应用状况国内燃气轮机叶片材料发展状况燃机叶片涂层技术国内外发展状况高温合金展望 2 2020 3 21 高温合金发展简史及发展状况 高温合金是指以铁 镍 钴为基 能在600 以上及一定应力作用下长期工作的一类金属材料 在英美称之为超合金 Superalloy 具有以下特点 较高的高温强度 良好的抗氧化合抗腐蚀性能 良好的疲劳性能 断裂韧性 塑性等 是航空发动机 火箭发动机 舰船动力和燃气轮机等高温热端部件不可替代的材料 根据合金材料成形方式的不同 可分为变形高温合金 铸造高温合金和粉末冶金高温合金3类 变形高温合金 涡轮盘 涡轮轴 高压压气机盘 叶片 紧固件等关键零部件 铸造高温合金 工作叶片 导向叶片 涡轮机匣等 粉末冶金高温合金 高 低压涡轮盘 封严盘 导流盘 涡轮前 后挡板等 3 2020 3 21 高温合金发展简史及发展状况 4 2020 3 21 高温合金发展简史及发展状况 1906年 第一个镍基高温合金MONEL问世 5 2020 3 21 高温合金发展简史及发展状况 1909年纽约市宾夕法尼亚火车站房顶用120TMONEL板材至今100年延续使用 6 2020 3 21 高温合金发展简史及发展状况 TheU S Navy smostadvancedattacksubmarine Virginia launchedin2004 usesMONELK 500fasteners hardware 7 2020 3 21 高温合金发展简史及发展状况 美国哈氏合金 HASTELLOYALLOYS1912年HASTELLOY问世 发展至今哈氏A B C D E F G系列在1948年建立轧制厂之前 所有合金都是铸件 到20世纪60年代 氩氧脱碳技术 AOD 和电渣重熔技术 ESR 开始应用与此同时也开始有了现代化的冷轧技术成卷轧制在干燥氢气当中进行光亮退火在1970年 哈氏合金公司被Cabot公司收购StelliteDivision成为Stellite部门1982年引进了4辊可逆式轧机6000吨分离力轧制板坯 厚板 连轧卷材1986年 哈氏合金公司从Cabot公司中分离出来成为现在的美国哈氏合金国际公司主厂在印第安那州的Kokomo 管材厂在路易斯安那州的Arcadia 丝材厂在北卡罗兰那州的MountainHome 8 2020 3 21 高温合金发展简史及发展状况 英国NIMONIC系列合金 9 2020 3 21 高温合金发展简史及发展状况 10 2020 3 21 NiSuperalloyTurbineAirfoils SignificantAdvancesinAlloysandCastingProcesses AlloyTemperatureCapability oF Base 1960 1970 1980 1990 50 100 150 200 250 2000 Equiaxed Columnar SingleCrystal PWA1426 PWA1484 PWA1487 PWA1497 PWA1422 PWA1480 MM247 B1900 IN100 10yearsforproduction readyadvancedalloy InitiateScreening FullCharacterization 高温合金发展简史及发展状况 11 2020 3 21 高温合金发展简史及发展状况 12 2020 3 21 高温合金发展简史及发展状况 13 2020 3 21 高温合金发展简史及发展状况 14 2020 3 21 高温合金发展简史及发展状况 15 2020 3 21 高温合金发展简史及发展状况 中国主要铸造高温合金与国外合金对比 16 2020 3 21 高温合金发展简史及发展状况 世界总产量约25万吨 年 中国需求2 5万吨 年 约占1 10 17 2020 3 21 高温合金发展简史及发展状况 民用镍基合金需求约2万吨 年 占中国总需求的4 5 大量镍基合金靠进口 美国 欧洲和日本 估计进口占总量1 2 18 2020 3 21 高温合金发展简史及发展状况 19 2020 3 21 高温合金发展简史及发展状况 20 2020 3 21 涡轮风扇 涡扇 发动机 燃气轮机发展背景 燃气轮机分类 100MW以上 20 100MW 中型燃气轮机 21 2020 3 21 燃气轮机发展背景 柴油机 蒸汽轮机 燃气轮机比较 22 2020 3 21 承担基本负荷电网紧急备用电源尖峰负荷电源 舰船动力 军用舰艇舰载机商用豪华客轮豪华游艇动力 军用坦克 装甲车辆油田注水 注气 气举采油输油和输气管道增压铁路机车动力驱动 机械驱动 主要应用领域 燃气轮机发展背景 燃气轮机主要应用领域 工业电力 预计2020年全世界燃气轮机发电将占50 单轴重型结构 初期高温合金 简单空冷技术 性能参数特征 涡轮进口温度小于1000 简单循环效率小于30 增压比4 10 涡轮进口温度达到1260 1300 增压比10 30 简单循环效率36 40 联合循环效率55 58 第三代 使用最先进的高温合金和少量现有的超级合金 陶瓷材料 涡轮进口温度在1400 1500 短时达到1600 第四代 涡轮进口温度达1600 1800 新材料应是密度小于5g cm3 具有更好的综合性能 也许陶瓷材料是一种选择 地面燃气轮机技术发展趋势 24 2020 3 21 一般来说 涡轮进口温度提高40 燃机热效率可提高1 5 功率相应可增加10 提高涡轮进口温度 新材料 承温能力更高新工艺 定向 单晶凝固10 30 涂层技术 热障涂层 150 200 冷却技术 300 500 关键技术 采用高循环参数 涡轮进口温度和增压比 改善部件结构和性能采用先进的热力循环 地面燃气轮机技术发展趋势 25 2020 3 21 地面燃气轮机叶片材料需求特点 材料特性 良好的耐腐蚀性能良好的组织稳定性优异的铸造性能足够的高温强度 地面燃气轮机 IGT 涡轮叶片 航空发动机与重型地面燃机叶片差异 26 2020 3 21 国外地面燃气轮机叶片材料发展趋势 Aeroengines 27 2020 3 21 国外燃机叶片材料应用状况 定向合金已经广泛应用 单晶叶片合金进入应用阶段 GTD111合金用量减少 被有更高蠕变强度的GTD444合金取代 长 50cm 重 10Kg 28 2020 3 21 国内燃气轮机叶片材料发展状况 29 30 DZ466合金承温能力比DSGTD111高10 15 DZ466合金高温拉伸性能优于DSGTD111合金 长期组织稳定性良好可用于900 950 使用的地面燃机 舰船及舰载机发动机涡轮工作叶片 DZ466合金 航材院新研制的耐腐蚀定向高温合金 国内燃气轮机叶片材料发展状况 2020 3 21 DZ466合金蠕变性能曲线 950 220MPa蠕变断裂寿命 DSGTD111 79 1h 蠕变断裂寿命 232h DZ466合金与DSGTD111合金蠕变性能比较 国内燃气轮机叶片材料发展状况 DZ466合金蠕变性能优于DSGTD111合金 31 2020 3 21 32 DZ466合金与DSGTD111合金组织稳定性比较 国内燃气轮机叶片材料发展状况 900 8000h 900 20738h 900 0h 随时效时间延长 尺寸增大 形态趋于球化 0 26 0 6 m 0 5 1 5 m 0 8 1 5 m 0 7 2 0 m DZ466合金 900 8000h 尺寸增大2 3倍 形态趋于圆形 开始聚集粗化 DSGTD111合金900 2500h 尺寸与DZ466合金900 8000h 尺寸相当 DZ466合金组织稳定性优于DSGTD111 2020 3 21 用DSGTD111浇注的叶片叶身有多处铸造热裂纹 热裂纹 复杂内腔结构薄壁叶片 最薄壁厚0 8mm DZ466合金与DSGTD111铸造工艺性能比较 国内燃气轮机叶片材料发展状况 33 950 100h静态抗氧化试验 DZ466合金950 抗氧化性能优于DSGTD111和K438合金 950 100h氧化DZ466 950 100h氧化DSGTD111 DZ466合金与DSGTD111抗氧化性能比较 国内燃气轮机叶片材料发展状况 34 DZ466合金900 涂盐热腐蚀性能优于K438合金 燃气热腐蚀性能优于DSGTD111合金 DZ466合金与DSGTD111耐热腐蚀性能对比 900 100h燃气热腐蚀试验 测试标准 HB7740 2004 国内燃气轮机叶片材料发展状况 35 2020 3 21 36 掌握了大尺寸燃机叶片型芯制备 冶金控制等关键技术利用自主研发的DZ466耐腐蚀定向合金试制出了大尺寸定向工作叶片 某重型燃机II级工作叶片型芯 左 等轴晶叶片 中 定向叶片 右 叶片长度 380mm叶片重量 4 8kg 等轴晶 定向 DZ466合金应用情况 国内燃气轮机叶片材料发展状况 2020 3 21 提供了某分布式能源用200KW级T2微型燃机燃气涡轮叶片和动力涡轮叶片各两台份 T2燃气轮机燃气涡轮叶片和动力涡轮叶片 DZ466合金应用情况 国内燃气轮机叶片材料发展状况 37 2020 3 21 燃机叶片涂层技术国内外发展状况 38 2020 3 21 热障涂层体系结构示意图 热障涂层是由低热导率陶瓷面层和金属粘结层组成的隔热系统 弥补高温合金许用工作温度不足 可提高涡轮进口温度约100 燃机叶片涂层技术国内外发展状况 39 2020 3 21 涡轮叶片热障涂层目前应用的主要工艺和材料 工艺 EB PVD APS 材料 MCrAlY 或PtAl 粘结层 YSZ面层 对涂层材料的要求宽松沉积率高 成本相对低隔热性能略好 但是结合强度较低 涂层服役寿命不足 燃机叶片涂层技术国内外发展状况 40 2020 3 21 EB PVD柱状晶结构 涡轮叶片 尤其是工作叶片的热障涂层制备均倾向于采用EB PVD 真空环境下制备 无污染 夹杂等缺陷 与基体的粘结为冶金结合显微组织呈柱状晶结构报道的抗剥落寿命为APS的7 8倍 燃机叶片涂层技术国内外发展状况 41 2020 3 21 国外热障涂层航空发动机上的应用情况 热障涂层已在多个型号航空发动机上成熟应用 P W公司 JT9D PW2000 PW4000 V2500 F100 PW 229和F119等GE公司 CF6 80 CFM56 7 F414等R R公司 Spey RB211等SNECMA公司 M88 2 燃机叶片涂层技术国内外发展状况 42 2020 3 21 燃机叶片涂层技术国内外发展状况 国外热障涂层在地面燃机的应用情况 43 2020 3 21 国际先进的EB PVD设备 制备TBC涂层 功率大 涂镀效率高 自动化程度高 涂镀工艺稳定 叶片装载量大 24片 炉 引进的真空电弧镀设备 2台 用于制备高温抗氧化涂层 燃机叶片涂层技术国内外发展状况 44 2020 3 21 材料体系 底层以MCrAlY为主 面层多采用YSZ1980 s 开始APS工艺研究 并逐步开始在燃烧室部件上应用1990 s 开始EB PVD工艺研究 已在多个型号发动机叶片上开展试车考核 初步结果良好热障涂层涡轮工作叶片单管热冲击寿命超过了2000次在某发动机首次通过了试车考核 制备了各型涡轮叶片6000余件 定向合金热障涂层工艺已获突破 即将定型批量应用 单晶合金热障涂层工艺尚待进一步研究 国内热障涂层在航空发动机的应用情况 燃机叶片涂层技术国内外发展状况 45 2020 3 21 在国内首次通过了发动机地面试车 某地面燃机一级透平动叶片热障涂层 燃机叶片涂层技术国内外发展状况 国内热障涂层在地面燃机的应用情况 46 2020 3 21 突破了燃气轮机叶片热障涂层和内腔CVD制备技术瓶颈 达到了国外同类涂层的性能水平 并形成涂层的小批量生产能力 交付热障涂层叶片近千件 某地面燃机一级动叶片热障涂层 燃机叶片涂层技术国内外发展状况 国内热障涂层在地面燃机的应用情况 47 2020 3 21 48 1000 2000h DZ466 TBC DSGTD111 TBC 900 5029h 粘结层退化规律 DZ466 TBC 单向 DSGTD111 TBC 双向 陶瓷层侧 粘结层侧同时退化 快 温度降低 粘结层退化速率显著降低 1050 120h Aldepletion Aldepletion Aldepletion DZ466合金与DSGTD111涂层性能比较 燃机叶片涂层技术国内外发展状况 2020 3 21 49 1050 200h 1000 400h 900 3112h DZ466 CoAl DSGTD111 CoAl 温度越高 涂层退化速度越快 DZ466 CoAl 1050 550h 1000 5000h DSGTD111 CoAl基体相退化快 1050 和1000 分别短100h和2500h 相同温度 热暴露相同时间 DSGTD111 CoAl内层中针状相数量较多 1050 200h 1000 400h 900 3112h 相体积分数相近 DZ466合金与DSGTD111涂层性能比较 燃机叶片涂层技术国内外发展状况 20