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国外舰用燃气轮机用高温结构材料发展分析

发布日期： 2021-07-05 来源：访问量：

高温结构材料是发展先进舰用燃气轮机的关键技术之一，对舰用燃气轮机的功率、效率、可靠性等关键指标起到至关重要的作用，目前主要采用高温合金。新型舰艇装备的发展要求燃气轮机的功率和效率继续提升，其关键在于热端部件用高温结构材料能否承受更高温度。然而，镍基高温合金的耐高温性能已接近极限，国外目前正积极探索陶瓷基复合材料、钼基合金、高熵合金等先进高温结构材料用于燃气轮机的可行性，值得参考借鉴。

一、发展背景

高温合金是以铁、镍、钴为基体的一类高温结构材料，可在600℃以上承受苛刻的机械应力，广泛用于航空发动机、舰用燃气轮机等的关键热端部件。与航空发动机相比，舰用燃气轮机虽然工作温度相对较低，但高负荷工作时间长、工况变动频繁、工作在盐雾重的海洋环境、燃料含硫量高且杂质多，对高温合金耐热腐蚀性和组织稳定性提出了特殊要求，也构成舰用燃气轮机高温合金发展的独特性。目前舰用燃气轮机高温合金已形成镍基、钴基和铁基高温合金三大系列，综合考虑工作温度、组织稳定性、抗氧化和耐热腐蚀以及成本等因素，现役舰用燃气轮机热端部件以镍基高温合金为主。

未来激光武器、电磁导轨炮等新型武器系统上舰，以及作战任务的日趋复杂化，对先进燃气轮机的功率、效率、寿命、油耗、维护等提出了更高要求，涡轮进口温度将继续提高达到甚至超过镍基高温合金的工作极限，同时还需满足舰队平均更换时间（MBTR）和平均故障间隔时间（MTBF）要求。美国海军研究署材料分部的专家明确指出，陶瓷基复合材料、高熵合金、钼-硅-硼系合金、钼基/铌基金属间化合物基合金等是镍基高温合金的有力替代材料，有望在1500℃下稳定工作，相关可行性研究目前正在展开。

图1 燃气轮机用高温合金发展历程

二、发展现状

随着制造工艺的创新，镍基高温合金由变形高温合金向铸造高温合金和粉末高温合金发展。其中，镍基铸造高温合金由等轴晶、定向柱晶发展到单晶，承温能力由不足750℃提升到1000℃以上。

1、高温合金的发展重在不断提高承温能力，以满足舰用燃气轮机的设计要求

国外舰用燃气轮机60多年来持续进行升级改造，功率和效率不断提高，单机功率超过40兆瓦，效率超过40%。LM2500是应用最广的舰用燃气轮机，MT-30是功率最高的现役舰用燃气轮机，涡轮前温度达到近1200℃。燃气轮机功率和效率的提升，要求涡轮进口温度进一步提高，对热端部件用高温合金的高温力学性能和耐热腐蚀性能提出了更高要求。为满足各型舰用燃气轮机的设计研制要求，各种高温合金产品不断推出。LM2500燃气轮机高压涡轮第1级和第2级叶片都采用了等轴晶镍基高温合金。LM2500+燃气轮机重新设计了高压涡轮，为提高抗氧化性以适应更高的工作温度，第1级叶片由等轴晶改为单晶高温合金，第2级叶片由等轴晶改为定向柱晶。与LM2500+燃气轮机相比，LM2500+G4改变了高压涡轮第1级叶片的材料，使其能承受更高的点火温度，并延长使用寿命。

图2 采用Chromalloy公司PtAl涂层的LM2500涡轮叶片

2、热端部件服役环境差异明显，对高温合金的性能要求大不相同

热端部件的结构和具体工作环境的差异导致其对高温合金的具体性能要求也有较大不同。涡轮叶片是涡轮发动机的关键构件之一，工作温度低于导向叶片，但受力大且复杂，早期曾采用变形高温合金，当前主要采用铸造高温合金。导向叶片的第一级是燃气轮机上受热冲击最大的零件之一，承受的机械负荷低于动力涡轮，在服役条件下会因应力造成扭曲、温度剧烈变化而产生裂纹，多采用铸造高温合金。涡轮盘的工作温度低于涡轮叶片，但承受较大的离心负荷、气动负荷和热负荷且受热不均，通常采用变形高温合金和粉末高温合金。燃烧室受机械应力较小，但热应力较大，一般采用变形高温合金。

表1 国外主要舰用燃气轮机高温合金应用情况

3、单晶高温合金是高温合金当前发展重点，还需解决缺陷、尺寸、成本等问题

单晶高温合金经历了从第一代的无铼合金到第二代的含3%铼的合金，再到第三代含6%铼的合金，以及在高铼含量基础上加入钌、铱等元素的第四代和第五代合金的发展过程。与第一代单晶合金相比，第二代和第三代单晶高温合金的使用温度分别提高了30℃和60℃。单晶高温合金的承温能力虽不断提高，但存在明显生长缺陷，且密度和成本显著增加。

4、陶瓷基复合材料成为研究热点，海军正在开展海洋环境下腐蚀行为分析和成分设计研究

陶瓷基复合材料密度仅为高温合金的1/3，强度是其2倍，耐温性（1100℃以上）和耐用性更佳。美国海军通过小企业创新研究计划（SBIR）资助多项舰用燃气轮机用陶瓷基复合材料的研发项目，旨在充分考虑盐雾和潮湿环境的影响，通过建模仿真设计碳纤维增强陶瓷基复合材料。2019年，通过小企业技术转移计划（STTR）开展“燃气轮机用陶瓷基复合材料的腐蚀分析与模拟”研究，旨在开发能根据给定侵蚀条件预测陶瓷基复合材料腐蚀情况的模型，优化陶瓷基复合材料设计，第三阶段计划将该模型用于舰用燃气轮机进行全面测试。

5、新型金属材料高温性能优于高温合金，尚处于设计研制阶段

Mo–Si–B系合金具有优异高温稳定性，熔点高于2000℃，是一种理想的高温结构材料。美国海军通过STTR计划开展“Mo-Si-B合金高温力学性能表征和建模”项目研究，旨在利用仿真建模分析Mo-Si-B合金高温失效行为，促进其在燃气轮机中的应用。

高熵合金的高温强度、结构稳定性、抗蠕变性、抗氧化性、密度等则均优于普通高温合金。美国海军研究署近年来资助埃姆斯实验室、加州大学、渥太华大学等多所高校，开展高温合金力学性能、强化机理、高温蠕变行为等基础研究。2017年，美国海军通过STTR计划开展“促进高熵合金在先进推进系统应用的集成计算材料工程工具”项目研究，旨在利用集成计算材料工程工具预测适用于燃气轮机的高温合金的成分以及相关制备工艺。

三、结语

高温结构材料技术是燃气轮机的关键技术之一，一直以来受到国外海军的高度重视，长期资助企业和高校开展基础研究和应用探索。总的来看，近期研究重点主要集中在三个方面:一是充分利用计算材料学和机器学习技术，提高新型高温结构的研发效率，包括加速成分设计、工艺优化和性能测试等；二是积极探索高熵合金、陶瓷基复合材料等新材料用于舰用燃气轮机的可行性，开展海洋环境下的性能验证；三是提前布局与先进高温结构材料配套的耐热腐蚀涂层的研制，如用于陶瓷基复合材料的环境障涂层等。未来随着新型高温结构材料的不断成熟，将为新型舰用燃气轮机的发展提供更好的保障，进而促进新型舰艇装备的发展。

（蓝海星：方楠、王敏）

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