羅 亮，肖程波，陳晶陽，李 青，戴圣龍

(中國航發(fā)北京航空材料研究院 先進高溫結構材料重點實驗室，北京 100095)

與傳統(tǒng)的柴油機、蒸汽輪機等動力裝置相比，工業(yè)燃氣輪機具有體積小、效率高、污染低、功率范圍廣等優(yōu)點，廣泛用于工業(yè)發(fā)電、艦船、石油及天然氣管路輸送、供熱、礦井通風等領域的動力裝置。歐美等工業(yè)強國都將燃氣輪機的研制作為重要的發(fā)展方向。工業(yè)燃氣輪機的發(fā)展代表著國家重大裝備制造業(yè)的總體水平，是國家高新技術和科技實力的重要標志，與國家能源安全、國防安全密切相關[1-3]。

幾十年來，鑄造高溫合金一直扮演著航空發(fā)動機和工業(yè)燃氣輪機渦輪葉片用材料的主角[1, 4-7]。當前，全球每年高溫合金需求約28萬噸，被廣泛應用于航空航天、艦船、兵器、核電、超超臨界火力發(fā)電、工業(yè)燃氣輪機及石化等領域，其中航空航天領域用量最大，占總需求量的55%，其次是工業(yè)燃氣輪機(20%)和艦船(10%)等。

航空發(fā)動機和工業(yè)燃氣輪機渦輪葉片按功能分類包括工作葉片和導向葉片，按結構分類包含實心結構葉片和空心結構(簡單空心、復雜氣冷、雙層壁超氣冷等)葉片，按成型工藝分則包括等軸晶葉片、定向葉片和單晶葉片。渦輪葉片材料及其精密鑄造技術是航空發(fā)動機和工業(yè)燃氣輪機的核心關鍵技術之一[8]。航空發(fā)動機渦輪葉片和工業(yè)燃氣輪機渦輪葉片的選材原則基本相同，但各有側重點，航空發(fā)動機注重渦輪葉片材料的熱強性能和承溫能力，與航空發(fā)動機葉片材料相比，工業(yè)燃氣輪機葉片的工作環(huán)境要惡劣得多，大多含硫、鈉等雜質，造成熱腐蝕，對高溫合金部件破壞作用大；燃機葉片壽命通常達幾萬乃至幾十萬小時，承受基本載荷的時間長；重型燃氣輪機葉片尺寸大、質量大。這就要求工業(yè)燃氣輪機用高溫合金具有更為良好的耐熱腐蝕性能、長期組織穩(wěn)定性、蠕變壽命和鑄造工藝性能[9]。因此，航空發(fā)動機渦輪葉片和工業(yè)燃氣輪機渦輪葉片材料各自成體系，但也有交叉之處。

國際上壟斷市場的幾家制造行業(yè)巨頭均具有獨立、完善、成熟的工業(yè)燃氣輪機材料體系，該類型材料國際上有美國GE(general electric)公司的GTD系列、René系列，Inconel公司的In系列和日本三菱日立(MHI：mitsubishi hitachi)的MGA系列等。在成熟的等軸晶合金和定向合金之外，發(fā)展了PWA1483，CMSX-4，RenéN5等第一代，第二代鎳基單晶高溫合金[10-11]。這些合金在20世紀90年代后期已廣泛應用于制造重型燃氣輪機葉片和噴嘴，技術成熟度高，應用考核驗證充分。目前，H級系列工業(yè)燃氣輪機已經(jīng)投入商業(yè)運行，定向和單晶高溫合金已經(jīng)大量應用到先進工業(yè)燃氣輪機上，而國內工業(yè)燃氣輪機用高溫合金多數(shù)為仿制的等軸晶合金，鎳基單晶高溫合金的研究剛剛起步。

1 國外研究現(xiàn)狀

工業(yè)燃氣輪機按功率等級劃分大體分為微型、輕型、中型、重型4個等級。微型燃機功率一般在0.3MW以內，主要用于分布式能源；輕型燃機功率一般為0.3～20MW，主要用于分布式能源和一些輕型動力裝置(小型艦船等)；中型燃機功率在20～100MW范圍，主要用于大中型水面艦艇和地面長距離管線增壓；重型燃機功率一般在100MW以上，主要與蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)用于工業(yè)發(fā)電。

先進國家的工業(yè)燃氣輪機正朝著大功率、高效率、低排放、燃料多樣化、高可靠性方向發(fā)展。目前，國外重型燃機單機功率達到400MW以上，簡單循環(huán)效率達到40%，聯(lián)合循環(huán)效率達到61.5%。隨著功率等級的不斷增大，工業(yè)燃氣輪機的制造難度也逐漸變大，技術水平越來越高，重型燃氣輪機的制造水平代表著一個國家的整體工業(yè)水平。為了搶占市場，增強全球競爭力，國際上工業(yè)燃氣輪機行業(yè)經(jīng)過多次整合并購，優(yōu)化資源配置，目前形成了以美國GE、德國SIEMENS、日本MHI為主的三大巨頭高度壟斷的局面。

在技術路線發(fā)展上，國際上工業(yè)燃氣輪機經(jīng)歷了兩條路線：

第一，以美國GE、P&W(pratt & whitney)和英國RR(rolls-royce)公司為首的航改工業(yè)和艦船燃氣輪機。這類燃機主要涵蓋輕型，中型功率等級，如典型的輕型、中型功率燃機LM2500，LM2500+，WR-21，MT50等，如表1所示[12]。其渦輪葉片材料大量使用了定向和單晶鎳基高溫合金。近來，RR公司的MT-50艦船燃氣輪機采用了第三代鎳基單晶高溫合金CMSX-10[13-14]。

第二，以GE，SIEMENS，MHI為代表，遵循傳統(tǒng)的蒸汽輪機理念發(fā)展起來的重型燃氣輪機，主要用于燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。GE公司的重型燃機從 早期的6B，9E級別發(fā)展到目前廣泛應用的9F級重型燃機，再到下一代H級，功率已經(jīng)達到了400MW以上。渦輪葉片材料從等軸晶合金發(fā)展到定向合金，再發(fā)展到單晶合金，葉片涂層材料則從滲鋁涂層發(fā)展到熱障涂層(TBC)，如表2所示[15-16]。近年來，美英等發(fā)達國家實施了ATS(先進燃氣輪機系統(tǒng)計劃)、CAGT(聯(lián)合的先進航空發(fā)動機改型燃氣輪機計劃)、ECATS(歐盟先進燃氣輪機系統(tǒng)計劃)、SMGT(超級艦船燃氣輪機計劃)等研究計劃[2,17-19]，必將推動先進燃氣輪機單晶高溫合金及其制備技術的更大發(fā)展。

表1 國際上典型的輕型、中型航改工業(yè)和艦船燃氣輪機及渦輪葉片鑄造高溫合金概況[12]Table 1 Typical casting superalloys used internationally for light and medium duty aero-derivative industrial and marine gas turbines and turbine blades[12]

表2 國外典型重型燃氣輪機及渦輪葉片鑄造高溫合金概況[15-16]Table 2 Typical casting superalloys used internationally for heavy duty gas turbines and turbine blades[15-16]

2 國內研究現(xiàn)狀

我國工業(yè)燃氣輪機行業(yè)自20世紀50年代開始建設，受多種因素影響，發(fā)展歷程曲折，至今沒有一型燃機走完自主設計、生產(chǎn)及應用的全過程。研發(fā)體系尚不健全，核心技術掌握不全面，尚未形成完善的自主創(chuàng)新研發(fā)體系，得到市場認可的產(chǎn)品較少。重型燃機通過“打捆招標”的方式引進了冷端部件的制造技術，但設計技術以及熱端部件的制造及維修技術仍由國外壟斷?？傊覈I(yè)燃氣輪機的發(fā)展面臨著較為復雜的知識產(chǎn)權問題、核心技術問題和體系建設問題。

(1)輕型燃氣輪機(航改燃)

在輕型燃機的發(fā)展上，我國走的同樣是航改燃路線，經(jīng)歷了從第二代渦噴、第三代渦扇發(fā)動機派生的一系列航改燃機型，如QD70，QD128，QD168和QC185等，但至今尚未形成批量投入市場，見表3。在地面燃機渦輪葉片材料方面，將部分原來的航空發(fā)動機渦輪葉片材料換成了燃氣輪機用耐腐蝕等軸晶、定向合金，如QD70，將原渦扇發(fā)動機高壓渦輪工作葉片材料使用的DZ125合金換成了DZ411合金。

表3 國內主要輕型(航改燃)燃氣輪機及渦輪葉片鑄造高溫合金概況Table 3 Typical casting superalloys used domestically for light duty (aero-derivative) gas turbines and turbine blades

(2)中型燃氣輪機

在中型燃機的發(fā)展方面，未來我國的海軍新型驅逐艦、護衛(wèi)艦等重要作戰(zhàn)艦艇都將采用以燃氣輪機為核心的推進動力。根據(jù)艦艇裝備發(fā)展需求，將按40，20MW和10MW三個不同功率等級構建艦船燃氣輪機裝備系列。其中，40MW級燃氣輪機用于萬噸級驅逐艦、兩棲攻擊艦后續(xù)艦的綜合電力推進系統(tǒng)原動機；20MW級燃氣輪機用于萬噸級驅逐艦及其后續(xù)艦、6000噸級驅逐艦、3000噸級護衛(wèi)艦的機械推進主機或綜合電力系統(tǒng)電站原動機；10MW級燃氣輪機用于氣墊登陸艇等特種和小型水面艦艇的綜合電力系統(tǒng)電站原動機。

國內目前發(fā)展的中型燃機走引進消化和自主研發(fā)兩條路，某燃機自1993年從烏克蘭引進生產(chǎn)許可證，功率為25MW，由中國船舶重工集團公司負責引進設計、中國航發(fā)西安航空發(fā)動機有限公司負責燃氣發(fā)生器研制、哈爾濱汽輪機廠有限責任公司(以下簡稱哈汽)負責動力渦輪研制，經(jīng)過近20年國產(chǎn)化，具備了小批量制造能力。QC400燃機則是中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所在與P&W公司合作生產(chǎn)的FT8燃機基礎上進行改型而成，功率為40MW，擬用于我國先進驅逐艦和兩棲攻擊艦的原動力。QC400以及正在研制的50，60MW級燃機的渦輪葉片選材情況如表4所示。近來，哈汽與俄羅斯彼爾姆航空發(fā)動機設計局(AVI)合作研發(fā)、引進了性能先進的中小型燃機生產(chǎn)許可證，并進行技術引進、消化吸收、自主設計、制造研發(fā)、安裝調試和維修服務的中小燃機全產(chǎn)業(yè)鏈模式，形成10～40MW系列工業(yè)燃氣輪機批量化的本體制造和成套供應能力。主要產(chǎn)品型號包括GTU-10P，GTU-12P，GTU-16P，GTU-25P等。

表4 國內主要中型燃氣輪機及渦輪葉片鑄造高溫合金概況Table 4 Typical casting superalloys used domestically for medium duty gas turbines and turbine blades

(3)重型燃氣輪機

在重型燃氣輪機發(fā)展路線上，我國從2003年開始采取引進國外先進機組和自主研發(fā)兩種方式并行發(fā)展。在引進國外先進機組方面，由國家發(fā)改委組織，在“十五”期間通過“打捆招標”，以市場換技術的形式，由電力集團的三大汽輪機廠承擔重型燃氣輪機的國產(chǎn)化任務，與國外(GE，SIEMENS，MHI)合作，引進E級和F級燃機。最終哈汽與GE合作生產(chǎn)9FA重型燃機，東方汽輪機有限公司和日本MHI合作生產(chǎn)M701F燃機，上海電氣電站設備有限公司上海汽輪機廠和德國SIEMENS合作生產(chǎn)V94.3燃機。在自主研發(fā)路線上，“十五”期間，由國家科技部牽頭啟動了863項目“燃氣輪機重大專項”，中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司主承擔自主研發(fā)功率110MW的E級R0110重型燃氣輪機，哈汽主承擔F級300MW重型燃氣輪機。其中R0110重型燃氣輪機在深圳運行了約160h，F(xiàn)級300MW重型燃氣輪機完成了初步設計，尚未進行制造，如表5所示。到目前為止，燃機市場仍然被國外占據(jù)，局面短期內難以改變。

表5 國內主要重型燃氣輪機及渦輪葉片鑄造高溫合金概況Table 5 Typical casting superalloys used domestically for heavy duty gas turbines and turbine blades

在重型燃機大尺寸定向/單晶渦輪葉片制造技術領域，中國航發(fā)北京航空材料研究院和中國科學院金屬研究所在國內居領先地位。其中，中國航發(fā)北京航空材料研究院自主研制了承溫能力比DS GTD111合金高約10～15K，長期組織穩(wěn)定性和耐熱腐蝕性能良好的工業(yè)燃氣輪機渦輪葉片用新型耐熱腐蝕定向合金DZ466[20-21]，并完成了試車考核。此外，還研制了具有自主知識產(chǎn)權的高承溫能力、良好耐熱腐蝕性能和組織穩(wěn)定性的第一代耐熱腐蝕單晶合金DD488[22-23]，并完成了300mm大尺寸單晶葉片樣件的研制。近來，中國航發(fā)北京航空材料研究院在國家重點研發(fā)計劃“材料基因工程關鍵技術與支撐平臺”專項的資助下在國內率先利用“材料基因工程”技術組合設計鎳基單晶高溫合金，實現(xiàn)了研制周期和研制成本的大幅縮減。針對高溫合金多尺度集成設計理論與方法這一科學問題，突破了成分-組織-性能高通量表征等關鍵技術，利用第一性原理、熱動力學計算、機器學習等“材料基因工程”方法，組合設計了先進地面重型燃氣輪機渦輪葉片用第二代耐熱腐蝕單晶高溫合金DD489，并采用快速凝固法對設計的合金進行了工藝驗證，合金綜合性能水平達到并部分超過國外同類合金。圖1(a)～(c)分別是DZ466，DD488和DD489合金與國外性能相當合金的熱強參數(shù)綜合曲線的比較。中國科學院金屬研究所研制了耐熱腐蝕定向合金DZ411(仿DS GTD111)[24-26]，大型定向葉片完成了熱沖擊考核，此外還研制了第一代耐熱腐蝕單晶合金DD408[27-29]和DD483合金(仿PWA1483)[30-31]，單晶葉片完成了樣件研制。

圖1 Larson-Miller曲線(a)DZ466與DS GTD111[32-33]；(b)DD488與PWA1483[10]；(c)DD489與RenéN5[34]Fig.1 Larson-Miller curves(a)DZ466 with DS GTD111[32-33]；(b)DD488 with PWA1483[10];(c)DD489 with RenéN5[34]

3 發(fā)展趨勢

截至2018年年底，SIEMENS的SGT-8000H級重型燃氣輪機產(chǎn)品已經(jīng)在全球銷售超過85臺，總運行時間超過650000h。SIEMENS計劃基于目前成熟的H級燃氣輪機技術，研發(fā)下一代HL級重型燃氣輪機，將發(fā)電效率從61%提升到63%以上。SIEMENS的新型HL級重型燃機由3個主要型號組成：SGT5-9000HL，SGT6-9000HL和SGT5-8000HL。在簡單循環(huán)運行中，風冷式的SGT-9000HL級燃氣輪機分別可以為50Hz發(fā)電市場提供545MW和為60Hz發(fā)電市場提供374MW的發(fā)電容量。SGT5-8000HL則可以在簡單循環(huán)中提供453MW的發(fā)電容量。HL級重型燃氣輪機的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率都超過了63%。

隨著先進工業(yè)燃氣輪機功率和發(fā)電效率的不斷提升，工業(yè)燃氣輪機渦輪葉片用鑄造高溫合金及渦輪葉片制造技術的發(fā)展趨勢如下：

(1)發(fā)展復雜、大尺寸定向/單晶地面燃機渦輪葉片制造技術

先進的冷卻技術能夠有效提高葉片的使用溫度，隨著冷卻技術的發(fā)展，國外進口溫度為1350℃和1500℃的重型燃機都采用了高效氣膜冷卻等冷卻技術，葉片制造技術趨于復雜化、精密化和大型化。F級和H級先進燃機的工作葉片和導向葉片大量采用大型定向/單晶葉片，長度超過600mm的復雜空心定向葉片、超過450mm的復雜空心單晶葉片制造技術的突破決定了H級及以上先進地面燃氣輪機的發(fā)展速度。針對大尺寸燃氣輪機定向凝固渦輪葉片制備，以高速定向凝固(HRS)技術為基礎，國際上發(fā)展了液態(tài)金屬冷卻(liquid metal cooling，LMC)[35-36]、氣體冷卻(gas cooling casting，GCC)[37-38]、薄殼鑄造(thin shell casting，TSC)[39-41]和流化碳床冷卻(fluidized carbon bed cooling，F(xiàn)CBC)[42]等先進定向凝固技術。國內，中國航發(fā)北京航空材料研究院[22-23]、中國科學院金屬研究所[43-44]、西北工業(yè)大學[45-46]和沈陽鑄造研究所有限公司[47]等單位近來開展了LMC定向凝固技術研究。

(2)隨著燃氣進口溫度不斷提高，定向/單晶工藝逐步占據(jù)主導地位

先進國家的工業(yè)燃氣輪機正朝著大功率、高效率、低排放、高可靠性方向發(fā)展。隨著功率等級的不斷增大，燃氣進口溫度不斷提高，例如MHI的J級燃氣輪機的進氣溫度比1500℃的G型燃氣輪機還要高100℃[48]，未來級重型燃氣輪機的進氣溫度將達到1700℃[3]。此外，地面燃機的制造難度也逐漸變大，技術水平越來越高，定向/單晶工藝逐步占據(jù)主導地位，國外先進燃氣輪機上定向/單晶渦輪葉片材料比例已經(jīng)達到60%。

(3)利用“材料基因工程”方法降低燃機用新型鎳基高溫合金研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期

2011年，為重振制造業(yè)領先地位，美國率先啟動了“材料基因工程”計劃并使之上升為國家戰(zhàn)略，以爭取在新一輪材料革命性發(fā)展中占有先機。近年來，在包括高溫合金和飛機關鍵材料在內的多個領域獲得突破，證明“材料基因工程”方法對高溫合金具有很好的適用性[49-51]。我國高溫合金也由傳統(tǒng)的實驗研究向實驗與計算相結合模式發(fā)展，在新型高溫合金的研發(fā)、“材料基因工程”方法研究等方面取得了一定進展。但是，高溫合金研發(fā)與構件制備的整體水平與先進國家仍有較大差距。其部分原因在于對“材料基因工程”概念和方法認識不夠，基于“材料基因工程”的高溫合金研究與應用仍處于起步階段，高溫合金材料研發(fā)和制備方面長期依賴于大量經(jīng)驗積累和簡單循環(huán)試錯為特征的“經(jīng)驗尋優(yōu)”方式，科學性差、偶然性大，因而造成周期長和成本高。根據(jù)國家“兩機專項”和“中國制造2025”的戰(zhàn)略需求，加速研發(fā)新型高溫合金已成為發(fā)展未來裝備急需解決的關鍵瓶頸問題。2016年中國航發(fā)北京航空材料研究院在國家重點研發(fā)計劃“材料基因工程關鍵技術與支撐平臺”專項支持下，聯(lián)合北京科技大學、中國科學院金屬研究所、中南大學、上海交通大學等共10所科研院所和高校，針對先進航空發(fā)動機及地面重型燃氣輪機關鍵熱端部件，突破高通量計算、高通量實驗、材料大數(shù)據(jù)三大“材料基因工程”關鍵技術，研制了新型燃機用長壽命單晶高溫合金、航機用高強單晶高溫合金、航機用高性能粉末高溫合金和航機用鑄造多晶高溫合金，實現(xiàn)了新型鎳基高溫合金研發(fā)周期縮短一半、研發(fā)成本降低一半的目標。