呂振家，彭建強，張宏濤，祝海義

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱，150046）

0 引言

與其他傳統(tǒng)動力相比，航改燃氣輪機（簡稱燃機）具有功率大、結構緊湊、質量輕、維護方便、可靠性高等優(yōu)點，自誕生之日起就受到工業(yè)界的高度重視，在電力工業(yè)、管道輸送、石化冶金、艦船動力等領域得到了廣泛的應用[1]。GE公司的LM2500型燃氣輪機屬于航改式燃氣輪機，自20世紀70年代初正式投入使用以來，已經產生LM2500、LM2500+、LM2500+G4等一系列型號，整機性能不斷提高，涵蓋了從23 MW至33 MW的功率等級。其中，LM2500+G4型燃氣輪機是GE公司最新的LM2500系列航改型燃氣輪機，它繼承了 LM2500系列燃氣輪機的高可靠性和可用性，其大部分零件與LM2500型燃氣輪機具有通用性[2]。

高溫材料是燃氣輪機發(fā)展的基礎，LM2500型燃氣輪機性能參數的不斷提高得益于材料技術的不斷發(fā)展。本文在分析LM2500系列燃氣輪機關鍵部件用材特點的基礎上，結合最新的航空發(fā)動機和工業(yè)燃氣輪機用高溫材料發(fā)展技術，給出LM2500系列燃氣輪機關鍵部件用材升級方案。

1 LM2500主要部件用材

LM2500型燃氣輪機主要由16級軸流式壓氣機、環(huán)形燃燒室、2級軸流式高壓渦輪和6級軸流式動力渦輪構成，其主要選材如下[3－5]：

壓氣機轉子和靜子由鈦合金和鎳基合金制造。第1～14級動葉片和第1、2級靜葉片采用Ti－6Al－4V制造；第15、16級動葉片和第3～16級靜葉片采用A286制造。轉子為短鼓－輪盤結構，第1～10級采用鈦合金制造，其余采用IN718合金制造。

燃燒室火焰筒采用Hastelloy X和Hayness 188制造，過渡段采用In718、Rene 41和Hastelloy X制造。

高壓渦輪第1、2級動葉片和第2級靜葉片采用鑄造Rene 80合金制造，第1級靜葉片采用X－40。優(yōu)化后的LM2500機組，第1級動葉片和靜葉片材料均改為Rene N5單晶材料，第2級靜葉片材料由Rene 80改為Rene 125。機匣采用IN718、Rene 41、Hastelloy X和Haynes 188制造。

動力渦輪第1～3級靜葉片采用Rene 77精密鑄造工藝制造，第4～6級靜葉片采用Rene 41制造，動葉片采用Rene 77制造，輪盤和機匣均采用IN718制造。

2 壓氣機材料

2.1 鈦合金

由于LM2500機組廣泛用作艦船動力裝置，對機組重量有較高的要求。因此，壓氣機葉片等采用鈦合金制造。其他同級別艦船動力用燃氣輪機也普遍采用鈦合金制造壓氣機葉片和輪盤。LM2500壓氣機部分動葉片和輪盤采用Ti－6Al－4V（國內牌號為TC4）制造，同級別燃氣輪機也有采用TC8和TC11作為壓氣機葉片和輪盤材料[6]。

TC4（Ti－6Al－4V）鈦合金是美國在 1954 年研制成功的Ti－Al－V系α－β型鈦合金，含有6% 的α穩(wěn)定元素Al和4%的β穩(wěn)定元素V。TC4鈦合金的主要特點是具有優(yōu)異的綜合性能和良好的工藝特性。該合金的應用非常廣泛，其產量幾乎達鈦合金總產量的一半[7]。目前，針對不同的使用條件和工藝要求，各國都出現了許多Ti－6Al－4V鈦合金的改型，其主要區(qū)別是不同的Al、V含量和較低的間隙元素雜質含量[8]。

TC11鈦合金是一種綜合性能良好的α－β型鈦合金，在500℃以下具有優(yōu)異的熱強性能，并且具有較高的室溫強度。該合金還具有良好的熱加工工藝性 （包括常規(guī)工藝性能和超塑性），可以進行焊接和各種方式的機加工。目前，隨著TCl1鈦合金應用的不斷擴大，該合金的β熱處理及等溫鍛已獲得迅速的發(fā)展[9]。

TC8是仿制俄羅斯的一種綜合性能優(yōu)異的αβ型熱強鈦合金，在400～600℃具有較高的強度，主要用于制造模鍛件。

氫在鈦中的擴散速度非常快，會形成一種β共晶系，且在合適的條件下，例如在酸洗條件下或極高壓的氫中暴露時，能在室溫下發(fā)生氫污染。在一定的條件下，如低至150 ppm～200 ppm，也可使材料的塑形劇烈下降。因此，通常將鈦合金中的氫含量控制在150 ppm以下，如表1所示。當有氫存在時，α和α－β型鈦合金可能在應力大大低于其屈服強度的條件下以脆性方式斷裂。目前，可用真空冶煉和真空退火熱處理使氫在大批量生產的產品中保持一個較低的水平[10]。

表1 鈦合金材質的化學成分[8-9]單位：wt%

2.2 高溫合金

壓氣機葉片和輪盤采用變形高溫合金制造，材料為A286和IN718。

A286是一種鐵基高溫合金，主要用于航空發(fā)動機部件。在1965年左右，采用A286可以制造大尺寸錠型后，開始廣泛用于工業(yè)燃氣輪機部件。然而，由于A286的成本較高，且制造工藝相對復雜，而對于壓氣機葉片和輪盤而言，其工作溫度并不是很高。因此，開發(fā)了一種Ni含量在2%～3%的12Cr材料M－152，其化學成分如表2所示。M－152具有優(yōu)異的斷裂韌性，其他性能與同類12Cr鋼相同，其蠕變持久強度介于CrMoV鋼和A286合金之間，如圖1所示。所以，作為壓氣機葉片和輪盤材料，A286逐漸被M－152代替。

圖1 幾種壓氣機輪盤材料不同溫度下10萬小時持久強度比較[11]

表2 LM2500型燃氣輪機用高溫合金化學成分 [11-12]

圖2 新型FX550大型輪盤鍛件[13]

IN718是一種沉淀硬化型Ni基高溫合金，各項性能優(yōu)異，作為航空發(fā)動機輪盤材料已經有超過20年的應用歷史。也廣泛用于制造中小型燃氣輪機透平輪盤鍛件材料。然而，由于如下兩個原因，很難制造大型輪盤鍛件。

（1）其成分復雜，導致大型合金錠偏析嚴重；

（2）強化相 γ＇和 γ＇＇含量高，可鍛造性能較差。

為了解決上述問題，世界各知名燃氣輪機制造商都開展了相關的研究工作。比如日本三菱公司通過優(yōu)化成分，開發(fā)出一種新型大型輪盤鍛件材料FX550，其力學性能與IN718相當，可制造性與IN706相當。目前，已經制造出直徑達1180 mm且無宏觀偏析的輪盤鍛件，如圖2所示。

3 燃燒室材料

LM2500燃燒室材料主要有Hastelloy X、Hayness 188等。

Hastelloy X是一種含Fe、Cr較高的固溶強化型鎳基高溫合金，國內對應牌號為GH3536，具有較好的抗氧化性能和高溫蠕變性能，其成型性也較好，工作溫度可達980℃，短時工作可達1090℃，是制造燃燒室部件比較合適的材料。合金在650～980℃長期高溫時效有一定程度的時效硬化現象，成型性有所下降[14]。

Haynes 188是一種固溶強化型鈷基合金，對應國內牌號為GH5188。合金中加入14wt%的W進行固溶強化，使合金具有良好的綜合性能。合金具有較好的冷熱加工塑形和焊接等工藝性能，適于制造980℃以下要求高強度和1100℃以下要求抗氧化性能的航空發(fā)動機和工業(yè)燃氣輪機部件[15]。

由于Co的成本很高，所以在Haynes 188的基礎上，通過降低Co含量、提高Ni含量，并添加2wt%的Mo，得到一種性能更加優(yōu)異的Ni基合金Haynes 230。該合金的抗氧化能力可達1150℃，比Haynes188提高155℃，且同樣具有優(yōu)良的組織穩(wěn)定性及滿意的成型、焊接等工藝性能[16]。

4 透平材料

LM2500高壓透平和動力透平使用的材料有X40、 Rene 41、 Rene 77、 Rene 80、 Rene 125、Rene N5、IN718等。

X40是固溶強化加碳化物強化型鈷基鑄造高溫合金，對應國內牌號為K640。X40在高溫下具有優(yōu)異的熱疲勞性能和抗氧化、耐腐蝕性能，特別適合制造1000℃以下工作的燃氣輪機靜葉片。

Rene 41是一種上世紀50年代中期發(fā)展起來的高強度的鎳基沉淀強化高溫合金。該合金主要用于焊接噴氣發(fā)動機的固定組件和燃氣渦輪機的關鍵部件，能在815℃下長期使用，在980℃短時間使用。同時，也是這個溫度范圍內強度最高的高溫合金[17]。

Rene 77是一種變形或鑄造鎳基合金，在Udimet 700和Astroloy合金的基礎上改進而來，因為這兩個合金的組織不夠穩(wěn)定，在815～870℃長期應力作用后都產生脆性片狀σ相，嚴重降低材料的持久強度、室溫和中溫塑形。為了改進合金性能，美國的許多研究工作者計算統(tǒng)計了大量爐號合金的電子空位數Nv，發(fā)現當Nv值小于2.32時不產生σ相。因此，調整了合金成分，適當降低了Mo、Cr和Co的含量，成功研制了Rene 77合金。該合金在980℃以下具有良好的蠕變持久強度、抗硫化腐蝕性能，高溫拉伸塑形和高溫長時組織穩(wěn)定性，是制造航空發(fā)動機和工業(yè)燃氣輪機透平葉片的主要材料之一[14]。

Rene 80是美國通用公司為長壽命噴氣渦輪發(fā)動機渦輪葉片研制的鎳基高溫合金，在1040℃以下具有很高的持久強度，很好的耐腐蝕性能和長期組織穩(wěn)定性。其他高強度渦輪葉片合金（如Rene 100、 IN100、 B－1900 和 Mar－M200）的耐熱腐蝕性能較差，耐腐蝕性較好的的合金（如Rene 77、U－500和U－700）的持久強度又較低，而Rene 80是綜合性能較好的渦輪葉片材料[14]。

與 Rene80相比，Rene 125降低了 Cr、Mo、Ti的含量，提高了W、Al的含量，并添加了3.8wt%的難熔金屬Ta（見表2）。W和Ta都是難熔金屬，而Al是時效強化相γ’（Ni3Al）的主要組成元素，因此Rene125合金的使用溫度比Rene80提高約 35 ℃[18]。

Rene N5是美國GE公司研制的第二代單晶葉片材料。第二代單晶葉片材料的典型特征是含有3wt%的Re元素。然而，大量添加難熔金屬的同時會引起偏析加劇、共晶增多和有害的 TCP相析出等一系列問題[18]，從而導致合金固溶處理的溫度升高、時間延長、成本顯著提高。同時由于Re等元素儲量稀缺且價格昂貴，使得先進單晶合金的成本成倍增加，制約了這類合金的推廣應用[20]。

為了解決以上問題，最近世界上的一些研究機構開始發(fā)展低成本高溫單晶合金，通過優(yōu)化其它難熔元素的添加量，來降低Re含量，以使合金的承溫能力達到二代甚至接近三代的水平。

GE公司在Rene N5基礎上通過調整W、Mo、Re和 Cr等元素的含量獲得一種低Re合金Rene N515。該合金的Re含量降低到 1.5wt%，同時還簡化了合金的熱處理工藝。Rene N515的蠕變持久強度和抗氧化性能與Rene N5相當，如圖3和圖4所示。Rene N515合金正在CFM56噴氣發(fā)動機中應用。GE公司還在研發(fā)無Re的單晶合金Rene 500[21]。

圖3 Rene N5和N515合金的蠕變持久強度比較[21]

圖4 Rene N5和N515合金的抗氧化性能比較[21]

NIMS通過改變W、Ta含量，利用了高Mo+W+Ta含量來有效提高 γ'體積分數、基體固溶強化能力等來提升蠕變壽命，設計出只含有2.4wt%Re的TMS-82+，其使用溫度超過二代合金[22]。

5 總結

經過近50年的發(fā)展，LM2500的性能不斷優(yōu)化，同時伴隨著材料的不斷升級和換代。本文在分析LM2500型燃氣輪機關鍵部件選材特點的基礎上，結合航空發(fā)動機和工業(yè)燃氣輪機材料技術的發(fā)展，給出了LM2500型燃氣輪機部分關鍵部件材料的升級方案，如下：

（1）壓氣機動靜片用A286采用成本更低、制造工藝更好且能滿足使用要求的12%Cr材料M-152代替。

（2）燃燒室部件用鈷基合金Hayness188采用成本低、高溫強度更高的鎳基合金Hayness230代替。

（3）輪盤用鎳基合金IN718采用制造工藝性更加優(yōu)異的新型合金代替。

（4）透平動靜葉片用第二代單晶材料Rene N5采用組織更加穩(wěn)定、成本更低的低Re或無Re單晶材料代替，比如GE公司新開發(fā)的Rene N515和N500合金。

[1]沈燁.LM2500系列燃氣輪機發(fā)展探析[J].農業(yè)科技與裝備,2012,（10）：36-38.

[2]景倩.LM2500+G4型燃氣輪機在分布式能源系統(tǒng)中的應用[J].華電技術,2013,（12）：14-15,35.

[3]胡曉熠，方昌德，侯曉春,等.世界燃氣輪機手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2011:260-261.

[4]侯戈.美國LM2500艦用燃氣輪機技術解析[J].現代兵器，2009，（1）：27-36.

[5]王沖，金潔敏，田廣，等.不斷升級改進的LM2500燃氣輪機[J].熱能動力工程，2007，（3）：138-141.

[6]于克.燃氣輪機鈦合金輪盤樅樹型榫槽的拉削[J].機械工程師，2016，(6)：237-238.

[7]李成功，傅恒志，于翹，等.航空航天材料[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.

[8]李成功，馬濟民，鄧炬，等.中國材料工程大典:第4卷:第7篇:鈦及鈦合金[M].北京：化學工業(yè)出版社,2005.

[9]《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊:第4卷:鈦合金 銅合金[M].北京：中國標準出版社，2002.

[10]劉靜安，吳煌良，姚毅中,等譯.鈦合金手冊:上冊[M].重慶：科學技術文獻出版社重慶分社，1983.

[11]Meherwan P.Boyce.Gas Turbine Engineering Handbook[M].Gulf Professional Publishing.USA,2002:426-427，423.

[12]Roger C.Reed.The Superalloys Fundamentals and Applications[M].Cambridge University Press.Cambridge,2006:22.

[13]Shinya Imano,Jun Sato,Hironori Kamoshida,et al.Alloy design and innovative manufacturing technology of highstrength Ni-base wrought alloy for efficiency improvement in thermal power plants[J].Mitsubishi Heavy Industries Technical Review,2015,52(2):32-38.

[14]冶軍.美國鎳基高溫合金[M].北京：科學技術出版社，1978.

[15]中國金屬學會高溫材料分會.中國高溫合金手冊:上冊[M].北京：中國標準出版社，2012.

[16]Klarstrom D L.The development of HAYNES?230?alloy[J].Verhandlungen Der Deutschen Gesellschaft Fur Innere Medizin,2001,75:618-619.

[17]Ramazan Kayacan,Remzi Varol,Oclay Kimilli.焊接前后熱處理變量對焊接Rene 41合金組件應變時效裂紋的影響[J].金屬材料研究，2015，（9）：54-60.

[18]P.Aldred.Rene 125 Development and Application[C].National Aerospace Engineering Meeting,Culver City,Los Angeles,1975.

[19]Sherman A J，Tuffias R H，Fortini A J，et al．The impact of the mechanical properties of rhenium on structural design［J］．Rhenium and Rhenium Alloys，1997,(8):291-300．

[20]李玲，余建波，謝信亮，等.熱處理制度對一種低成本無Re鎳基單晶合金組織和性能的影響[J].上海金屬，2017，（3）：26-30.

[21]P.J.Fink,J.L.Miller,D.G.Konitzer.Rhenium Reduction-alloy design using an economically strategic element[J].High Temperature Alloys,2010,62(1):55-57.

[22]T.Hino,T.Kobayashi,Y.Koizumi,et al.Devolopment of a new single crystal superalloy for industrial gas turbines[C].Superalloys2000,Pennsylvania,TMS,2000.