燃气轮机高温材料的未来

燃气轮机是高材料标准的重要工程。如“新材料如何改善燃气轮机”中所述，这些发动机需要使用某些已知的性能最高的材料，以实现更高的效率。通常，提高工作温度是提高效率的最重要因素，为此，需要使用新材料。在本文中，我们将更深入地研究目前正在探索用于燃气涡轮机未来的各种高温材料。

尽管发动机的不同部分使用了多种材料（图1），但在考虑用于燃气轮机的新材料时，我们会多次考虑叶片，因为它们是要求最佳材料性能的部件。它们高速旋转。因此，它们需要承受较高的机械负载，并且需要在超过1000°C的温度下工作。挑战在于制造能够在很大的温度范围内保持高机械阻力的材料。此外，涡轮叶片的复杂形状需要使用易于制造的材料。

通常，高温合金材料具有足够的机械性能，但是在高温下，它们容易因蠕变而变形，并且氧化成为问题。另一方面，在高温下具有极好的抗氧化性的材料（例如陶瓷）通常对于涡轮机的要求来说太脆。

为了解决这个问题，科学界提出使用由两种或多种具有不同特性的成分形成的复合材料。结果是可以同时具有耐高温和良好机械性能的材料。金属基复合材料（MMC）就是这类材料之一，它们具有韧性金属基体，上面分布有耐高温颗粒或纤维。陶瓷基复合材料（CMC）也是一种替代选择，特别是由于它们的重量轻。

燃气轮机用高温材料

图1当前用于燃气轮机不同部位的材料（Engine Alliance GP7000）[1]。

金属基复合材料（MMC）

在MMC系列中，具有金属间相的金属合金是燃气轮机高温应用中最有希望的解决方案。存在多种可应用于涡轮机的不同类型和不同部分的合金。

近年来，具有硅化物颗粒的钼基合金受到了广泛的关注，目前正处于最新的发展阶段。钼由于其高熔点（2617°C）而引起了人们的关注，并且由道格拉斯·贝奇克[2]于90年代率先开发的Mo-Si-B合金有望在发动机中以比当前材料高得多的温度运行[3]。这种合金在高温下具有非常好的性能。矛盾的是，在低温下，随着变脆，会出现问题。这种脆性还给将材料加工成正确的形状带来了其他挑战。

燃气轮机中的高温材料

燃气涡轮发动机用于海上油气中央处理平台。

                              燃气涡轮发动机用于海上油气中央处理平台。

正在探索将许多其他MMC应用于不同零件和种类的燃气轮机。铌或are是与钼相似的金属，也可以与硅或钴合金化以形成MMC，并且可能在特定情况下使用[4,5]。

铝化铁（Fe-Al）基合金是在较低温度下工作的零件的更便宜和更轻的选择，也可用于蒸汽轮机。它们可以替代在温度高达1000°C的结构应用中使用的不锈钢[6]。硅化钒合金还可以在高达1000°C的温度下提供高强度甚至更低的密度[7]。钛合金具有优异的机械性能，可广泛用于航空航天，石油化工和生物医学行业。

另外，由于它们对各种加工参数的良好响应，它们已经通过增材制造进行了加工[8]。诸如碳化钛和硅化钛的金属间化合物已被认真考虑用于要求低密度的应用中，例如航空航天业，并且铝化钛已经在商用飞机发动机的某些零件中使用。

陶瓷基复合材料（CMC）

CMC已进行了数十年的研究，现在将出现在燃气涡轮发动机的高温部件中。它们具有耐高温和良好的机械性能。但是，由于它们的重量轻，仅为当前镍基超级合金重量的三分之一，所以它们特别有趣。此外，陶瓷被用作隔热涂层（TBC），从而增加了对环境隔热涂层（EBC）的抵抗力。

基于碳化硅（SiC）的CMC已经可以用于商用飞机发动机，例如LEAP喷气发动机和GE9X发动机。目前，它们用于喷嘴或护罩，它们是不要求具有高机械性能的零件，但很快它们也可能被引入叶片中[9,10]。SiC基CMC的挑战之一是它们对燃烧环境的脆弱性。但是，基于共晶CMC的替代品已经在开发中（图2）。

高温材料的未来

图2燃气轮机中使用的材料，涂层和冷却系统的演变以及CMC在未来的功能[11]。

最后的想法

材料科学界正在开发各种用于燃气轮机的材料。该品种将使工程师能够为不同类型的燃气轮机或发动机的每个零件选择具有定制性能的材料，从而使其更加灵活，高效。此外，新型耐高温材料将具有更高的整体性能，从而减少对环境的影响和运营成本。