在全世界智能化发动机产品研发中,高温合金材料需求量已占有柴油机发动机总产值的40%~60%。因而,高温合金材料也称为“智能化柴油机发动机基石”。除此之外,高温合金在电力安装工程、运输、化工厂石油业也占有重要的知名度。
飞机场发动机称为“工业化生产之花”,是航天航空中技术含量较大 、难易度很大 的预制构件之一。作为机场动力装置的飞机场发动机,十分重要的是金属结构材料要具备轻质、高韧性、高韧、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等性能,这大部分是结构材料中较大 的性能要求。
高温合金由于其优异的耐高温性能,广泛的应用于航天航空,电力行业,化工厂石油业,运输加工制造业和气轮机加工制造业。
1.在航空航天上的应用
在当今智能化的飞机场发动机中,高温合金材料需求量占柴油机发动机总产值的40%-60%。在飞机场发动机上,高温合金适用气缸、导向性叶片、涡轮叶片和涡轮盘四大热段零配件;此外,还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷嘴等预制构件[2]。
1.1气缸
气缸是动力机械煤炭能源的发源地。气缸内导致的燃气温度在1500~2000℃正中间。因为别的的室内空间设计有高压气流通性,因而引燃筒铝合金型材材料的担负温度一般在800~900℃上下,一部分达1100℃。因此,引燃筒要求材料要具有高温抗氧化和抗燃气腐蚀性能,优质的冷热疲倦性能。
气缸运用的重要高温合金以镍基或钴基高温合金核心。例如第三代战斗机F100柴油机发动机选用Haynes188钴基高温合金,F110,F404和F414柴油机发动机则选用HastelloyX镍基高温合金。但是伴随机场推重比的提高,对引燃筒材料明确指出了新的要求。第四代战机引燃筒重要是镍基高温合金并涂覆陶器热变形涂层,并且采用新的气缸结构,如F119和F135采用了起伏壁结构,而F136柴油机发动机采用了Lamilloy结构。赶到第五代战机,多运用Lamilloy结构的高温合金、耐高温1482℃陶器复合性材料和热变形涂层。因此,便于融进飞机场发动机新的推重比的要求,升级版材料基本和制得制作工艺的高温合金急缺新产品开发出来[3]。
1.2导向性叶片
导向性叶片是增压发动机上受热破坏性很大 的零部件之一。但由于它是原地不动的,遭受的工业设备负荷并不是很多。一般 由于应力场导致的曲解、温度明显变化导致的裂缝以及过燃导致的烧伤,会使导向性叶片工作上经常发现异常。根据导向性叶片工作上规范,要求材料具有下列性能:充裕的长期抗拉强度及优质的热疲倦性能;有较高的抗氧化和抗腐蚀的专业能力。
煅造高温合金变为了导向性叶片的重要生产加工材料。美国Howmet公司等多采用IN718C、PWA1472、Rene220以及R55铝合金型材作为导向性叶片的材料。近几年来,由于定项凝固制作工艺的发展趋向,用定项铝合金型材生产加工导向性叶片的制作工艺也在产品研发中;此外,FWS10柴油机发动机涡轮导向器后篦齿环生产加工采用了氢氧化物弥漫着提升高温合金[1]。
1.3涡轮盘
涡轮盘工作上受热不均,盘的边沿部位比管理处部位担负较高的温度,导致很大的残余应力。榫齿部位担负很大 的凝聚力,遭受的应力场更为复杂。因而对涡轮盘材料要求有:铝合金型材应具有高的抗压强度和应力松弛抗拉强度;优质的冷热和抗工业设备疲倦性能;线膨胀系数要小,无缺口敏感性,较高的低周疲倦性能。
粉状高温合金是当今高性能柴油机发动机涡轮盘的优选材料。1965年发展趋向了高纯预铝合金型材粉状专业性。美国P&WA(Pratt&WhitneyAircraft)公司最开始开拓了粉状高温合金盘件用于飞机场发动机的疑罪从无。1972年IN100粉状高温合金涡轮盘用于F100柴油机发动机上,开启了粉状高温合金的实际应用阶段。
在中国的粉状高温合金的科研发展趋势于20新时代70时期后半期,在过后的发展趋向过程中,根据国家规格型号规定,陆续开展了FGH95铝合金型材,FGH96铝合金型材,FGH97铝合金型材,FGH98铝合金型材和FGH91铝合金型材的产品研发。在这其中FGH95是目前抗拉强度较大 的粉状高温合金,较大 运用温度650℃,适用制得柴油机发动机的涡轮盘挡板以及直升机用涡轮盘。
目前在粉状高温合金制造行业,美国、俄罗斯、英国、西班牙、荷兰、加拿大、法国、在我国、日本、意大利以及印度尼西亚等国家均开展了科研工作上,美国、俄罗斯、英国、西班牙、荷兰和在我国等国家掌握了工业生产制作工艺,在这其中仅有美国、俄罗斯、西班牙和英国能独立新产品开发粉状高温合金并建立了本身的铝合金型材型号规格[1-4]。
1.4涡轮叶片
涡轮工作上叶片是增压发动机上最关键的混凝土构件之一。虽然工作上温度比导向性叶片要低些,但是支撑板大而复杂,工作上规范极端化,因此对涡轮叶片材料要求有:高的抗氧化和抗腐蚀专业能力;高的抗应力松弛和长期裂开的专业能力;优质的工业设备疲倦和热疲倦性能以及优质的高温与立温综合型性能。
涡轮叶片用材料最初普遍采用变形高温合金。伴随材料产品研发专业性和加工工艺的发展趋向,煅造高温合金逐步完善涡轮叶片的候选材料。美国从20新时代50时期后半期一开始试着运用煅造高温合金涡轮叶片,原苏联在60时期后半期应用了煅造涡轮叶片,英国于70时期初采用了煅造涡轮叶片。而飞机场发动机不断完美主义者高推重比,推动世界各地自70时期迄今一开始产品研发新型高温合金,先后产品研发了定项凝固高温合金、光伏电池高温合金等具有优异高温性能的新材料。在这其中光伏电池高温合金材料变为目前主要产品的涡轮盘材料。
光伏电池高温合金是在等轴晶和定项柱晶高温合金大部分发展趋向出來的一类智能化柴油机发动机叶片材料。20新时代80时期早期迄今,第一代光伏电池高温合金PWA1480、ReneN4等在各种各样飞机场发动机上获得普遍应用。80时期后半期迄今,以PWA1484、ReneN5为代表的第二代光伏电池高温合金叶片也在CFM56、F100、F110、PW4000等智能化飞机场发动机上得到许多运用,目前美国的第二代光伏电池高温合金已健全,并普遍应用在军中国民航总局柴油机发动机上。90时期后半期迄今,美国研发第三代光伏电池高温合金CMSX-10。之后,GE、P&W以及NASA合作开发了第四代光伏电池高温合金EPM-102。西班牙和英国也分别产品研发光伏电池高温合金,并维持了建筑项目应用。近几年来,日本又相继获得成功的产品研发了承温专业能力更高的第四、第五、第六代光伏电池铝合金型材TMS-138,TMS-162,TMS-238等[3]。
在中国的光伏电池高温合金是由中航工业航材院于20全世界80时期初最先一开始科研的,并获得成功产品研发出在中国第一代光伏电池高温合金DD4。90时期又获得成功产品研发了第二代光伏电池高温合金DD6,并普遍应用已各种各样规格型号的智能化飞机场发动机上。此外,在中国的第三代光伏电池高温合金重要有北京航空材料研究室智能化高温结构材料头等大事实验室产品研发的DD9与DD10、中国科学院金属研究所高温合金科研部产品研发的DD32、DD33、中国科学院金属研究所产品研发的DD90;第四代光伏电池高温合金是由中国科学院金属研究所产品研发的DD22;第五代光伏电池高温合金为山西省炼石有色产品研发的含铼高温合金材料。这类材料的目前只限实验室新产品开发。
伴随以歼10B、歼15、歼16为代表的几种三代半战斗机陆续进入列装,WS-10柴油机发动机规定持续增长;伴随中国大型运输机运-20的列装,大涵道比柴油机发动机也将进入大批量生产,这将马上控制器飞机场发动机用高温合金的快速发展趋向。便于提升高温合金材料专业性,中国工信部在发布的《国家增彩生产加工产业规划促进计划方案(2015-2016年)》中明文规定提高高温合金等材料专业性。以便保持在中国国际航空公司发展趋向对高温合金材料的要求,我们要以往工作上的大部分,再度进行高品质、高质量的高温合金材料的发展趋向和产品研发工作上,稳定现阶段体系管理货品的性能和质量,科研和探索工作上温度超过1100℃上下的事后新纪录高溫材料,完善在中国的高温合金体系管理。
单晶高温合金是在等轴晶和定向柱晶高温合金基础上发展起来的一类先进发动机叶片材料。20世纪80年代初期以来,第一代单晶高温合金PWA1480、ReneN4等在多种航空发动机上获得广泛应用。80年代后期以来,以PWA1484、ReneN5为代表的第二代单晶高温合金叶片也在CFM56、F100、F110、PW4000等先进航空发动机上得到大量使用,目前美国的第二代单晶高温合金已成熟,并广泛应用在军民用航空发动机上。90年代后期以来,美国研制成功第三代单晶高温合金CMSX-10。之后,GE、P&W以及NASA合作开发了第四代单晶高温合金EPM-102。法国和英国也分别研制单晶高温合金,并实现了工程应用。近年来,日本又相继成功的研制了承温能力更高的第四、第五、第六代单晶合金TMS-138,TMS-162,TMS-238等[3]。
我国的单晶高温合金是由中航工业航材院于20世界80年代初率先开始研究的,并成功研制出我国第一代单晶高温合金DD4。90年代又成功研制了第二代单晶高温合金DD6,并广泛应用已多种型号的先进航空发动机上。此外,我国的第三代单晶高温合金主要有北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室研制的DD9与DD10、中国科学院金属研究所高温合金研究部研制的DD32、DD33 、中国科学院金属研究所研制的DD90;第四代单晶高温合金是由中国科学院金属研究所研制的DD22;第五代单晶高温合金为陕西炼石有色研制的含铼高温合金材料。这些材料的目前仅限于实验室研发。
随着以歼10B、歼15、歼16为代表的多款三代半战斗机陆续进入列装,WS-10发动机需求持续增长;随着国产大型运输机运-20的列装,大涵道比发动机也将进入量产,这将直接驱动航空发动机用高温合金的快速发展。为了提升高温合金材料技术,工信部在发布的《国家增彩制造产业发展推进计划(2015-2016年)》中明确要求突破高温合金等材料技术。为了满足我国航空发展对高温合金材料的要求,我们要在过去工作的基础上,继续进行高水平、高质量的高温合金材料的发展和研制工作,稳定现有体系产品的性能和质量,研究和探索工作温度超过1100℃以上的后继新高温材料,完善我国的高温合金体系。
电力行业是国民经济可持续发展的基础行业和先进工业。电力工业包括水电、煤电、气电、核电和新能源发电等方面。除水电外,无论是煤电还是气电和核电的发展都需要有相应的高温结构材料作为支撑,性能优异的耐热钢和高温合金材料成为电力工业发展的技术关键[5]。
2.1煤电领域
火电机组有相当多的部分为超高压。高压蒸汽参数机组,而且随着蒸汽参数的进一步提高,对高温材料的要求越来越高。过热器和再热器是锅炉中工作环境最为恶劣的部件,承受的压力最大,温度最高,因此要求材料具有良好的抗蠕变性能,同时还要满足管子对蒸汽侧的抗氧化性能和对烟气侧的抗腐蚀性能要求。目前,我国火电主锅炉过热器管材主要是铁基高温合金GH2948。
2.2核电领域
核电是一种安全、清洁、经济、可靠的能源。用核电替代部分化石燃料发电,不但可以将化石燃料保留下来长期使用,还有利于环境保护和减少大量的燃料运输。核电站的核心是反应堆,它是有堆芯、反射层、控制棒、堆容器和屏蔽层等组成。核工业用高温合金主要指反应堆用高温合金。高温合金主要用作压水堆蒸汽发生器传热管、元件格架和压紧弹簧等,以及高温气冷堆和部分快堆的过热器与再热器传热管零部件。
压水堆蒸汽发生器的传热管早期用18-8型不锈钢。但是因为奥氏体不锈钢对应力腐蚀敏感,后被耐热、耐蚀合金Inconel 600所代替。此后发展了Inconel 690 和 Incoloy 800 合金。关于这三种合金的抗腐蚀性能的优劣,目前看法尚不统一,所以都在应用,法国偏重与Inconel 690合金,德国多采用Incoloy 800 合金作传热管。我国泰山核电站的蒸发器传热管采用的是Incoloy 800合金,大亚湾核电站用的是Inconel 690合金。
高温气冷堆蒸汽发生器是螺旋管束型结构,装在预应力混凝土压力容器内侧。再热器和过热器的温度较高,传热管采用Incoloy 800 合金。蒸汽发生器和过热器的温度较低(450-340℃),传热管多采用2.25Cr-1Mo钢。
堆芯冷却管道是用定位格架和上下管座按设定的排列方式组装成燃料堆件或元件盒的。定位格架材料早起采用奥氏不锈钢,目前主要采用镍基高温合金。
开采石油和天然气,特别是深井开采,需要使用镍基高温合金。因为深井下工作环境恶劣,比如酸性环境,氯化物浓度高,有硫化氢气体,气体分压大,井下温度波动在0-218℃范围。因此,Inconel 718 合金在油气开采钻具上可用作注射阀、传统运转阀、气体升举阀、双制化学注射阀、安全阀等多种阀门,流体分流器采用Inconel 718C 铸造合金制备。Incoloy 925可制作XLD假阀、XLI气体升举阀、XLO-B阻尼阀,水压设备螺母等。Incoloy825可制作耐久打眼绳索、绳索管道、水压控制管线、水压设备套圈等。Incoloy 625可作水压设备管线等。Inconel 600 可作安全隔板等[5]。
烟气轮机是炼油厂催化裂化装置能量回收系统的核心机组。在生产过程中,约有4%-7%的原料油转化为焦炭,在再生器内燃烧,焦炭放出的热量除部分用于加热催化外,其余热量加热烟气从再生器放出,这种从再生器放出的烟气具有98-196kPa的压力和约650-750℃的温度,把大量高温高压烟气,引入烟气轮机,经膨胀作功后转化为轴功输出,驱动炼油厂空气压缩机或发电机组,以后回收这部分能量。
目前,内燃机车或汽车等民用运输工具使用的涡轮增加器选用的是细晶等轴晶高温合金叶片。内燃机机车主要是北车集团生产。在战车领域,目前世界上只有美国将燃气轮机作为主战坦克动力,美国M1型系列坦克均装配了小型燃气轮机作为动力,效率高。启动快、马力大[6]。
舰船动力装置使用大量高温螺栓。由于在海上长期工作,因此螺栓材料要经受由海盐成分加速的热腐蚀。另外由于螺栓还承受很大的拉应力,所以应力腐蚀是螺栓失效的重要因素。因此结构钢和合金钢螺栓多数不能直接长期用于舰船动力装置。而应选用抗海洋气氛腐蚀性能好、抗高温腐蚀性能好、抗松弛性能好的高温合金制作舰船动力装置用螺栓。可选的螺栓用高温合金有: GH132 ( A286 ) 、GH145 ( Inconelx750) 、GH751 ( Inconel751 ) 、GH169、GH33A、GH80A ( Nimonic80A ) 、GH90 ( Nimonic90 ) 、MP35N、GH159 ( MP159 ) 、R26、GH105( Nimonic105) 、GH242 等[6]。
燃气轮机具有热效率高、污染少、耗水少、易安装等优点,联合循环的燃气轮机组还能达到高达60%的热效率,因而燃气轮机在电力行业的应用越来越广泛。先进的材料是燃气轮机设计、制造技术的基础和保证条件,特别是燃气轮机热端部位的高温材料,没有先进的高温材料就不可能设计和制造出先进的燃气轮机。高温合金在燃气轮机材料中占有极其重要的地位,在燃气轮机燃烧室、过度导管、导向叶片、涡轮工作叶片以及涡轮盘等部件上都有着广泛的应用[8]。
燃气轮机的研制技术一直被美国通用、日本三菱、德国西门子和法国阿尔斯通等跨国巨头垄断。而从国内目前正在运行的重型燃机看,我国发电设备制造业目前还不具备燃机整机自主制造能力和热端部件的维修和制造能力。国外对此项技术严格保密,严重制约我国重型燃气轮机的发展。我国生产的燃气轮机可分为两类:一是引进型,二是自主研发型。引进型燃机热端部件全部进口,重型燃气叶片产品进口价格为10 亿元/吨,该部分成本占整台燃气轮机的25% ~ 30%。同时还会签订对应服务合同,配件全部由原厂商提供。同时国外公司在出售维护燃机热端部件的同时会要求签署补充设备维护协议,保修期内( 一般为10 年) 的配件需全部采用原装配件,该部分价值可能比设备本身还高。图就是工业轮机主要构件的高温合金的应用[8]。
燃气轮机用高温合金的成分。
燃气轮机的重要用途除了发电机组,还可以作为舰船的动力等。但是无论作为哪种用途,它使用的高温合金含量都占很大的比重。
随着高温合金工艺化的不断成熟,高温合金的应用会越来越广。在完善高温合金体系的同时,我们也需要建立和完善我国航空用高温合金的标准。通过开展标准化基础研究,加强新材料研制中的标准化,提高标准制修订的先进性和适用性,完善通用材料标准,加强制定材料配套标准,从而更好地满足我国航空航天发动机生产和发展的需要。也只有依据完善的标准体系,大力的发展新材料,改进旧材料的性能,完善制备工艺,我们才能缩短与其他高温合金领先国家如美国、日本、法国等的差距,提高我国在高温合金领域的竞争力,确保我国的航空和军事领域的发展,提高我国在国际事务中的话语权。
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