燃氣輪機在過去幾十年中取得了突飛猛進的發(fā)展。燃氣輪機具有熱效率高、污染少、耗水少等優(yōu)點，參與聯(lián)合循環(huán)的燎氣輪機組能達到更高的熱效率，因而燃氣輪機在電力上的應用越來越廣泛。材料是先進燃氣輪機設計、制造技術的基礎和保證條件，特別足高溫材料，沒有先進的高溫材料就不可能設計制造出先進的燃氣輪機。高溫合金材料是燃氣輪機材料中極其重要的組成部分。在燃氣輪機燃燒室、導向葉片、渦輪動葉片以及渦輪盤等部位上都有著廣泛的應用。本文就當前燃氣輪機所采用高溫合金的主要特點及新技術的應用情況進行了說明和分析，并對目前世界主要國家的研制水平和發(fā)展趨勢進行了簡要的介紹。
一 、概述
高溫合金材料是現(xiàn)代燃氣輪機所必需的重要金屬材料，它能在高溫（一般指600到1100度）氧化氣氛中和燃氣腐蝕條件下承受較大應力，并長期使用。20世紀40年代初，英國在鎳—鉻電熱材料的基礎上用鋁和鈦等元素對合金進行強化，促進了鎳基高溫合金的發(fā)展，同時也為燃氣輪機性能的提高創(chuàng)造了必要條件。
隨后，美國和前蘇聯(lián)也相繼研制了高溫合金。我國自20 世紀50年代末至今，從無到有，由仿制到獨創(chuàng)，基本上形成了我國的高溫合金材料系列和科研生產(chǎn)基地。
二、 高溫合金材料的分類
高溫合金按基體分類有鐵基、鎳基和鈷基合金。實際上加入了大量的合金元素而成為多組元為基的合金，如鐵—鎳—鉻基合金；鎳—鉻—鈷基合金等。發(fā)展最快、使用最廣的是鎳基合金，其次是鐵基合金。
鈷基合金在國外也有相應發(fā)展，但限于資源，我國很少研制應用。高溫合金以成型方式分為變形合金和鑄造合金。鑄造合金近年來又發(fā)展了定向結晶和單晶合金。利用定向結晶技術又發(fā)展了共晶合金。由于高溫合金粉末冶金技術的發(fā)展，還可以將一般難以變形的高性能鑄造合金轉為變形合金。
三、 高溫合金的組織和相
對高溫合金性能要求，總的來說必須具有良好的熱穩(wěn)定性、熱強性和使用條件下的長期組織穩(wěn)定性。因此，必須根據(jù)不同的使用要求，合理選擇基體，審慎進行合金化，并通過一定的工藝和熱處理制度得到必要的組織和性能。高溫合金的強化途徑有固溶強化、時效沉淀強化和晶界強化，此外還有氧化物彌散強化。高溫合金性能主要取決于合金成份和它的組織結構。組織中特別重要的是析出相的類型、結構、形狀、大小、數(shù)量和分布情況等。
四、 高溫合金在渦輪發(fā)動機各部位上的應用及特點
由于燃氣輪機結構較為復雜，各部位溫度和受力情況等，差別較大，因此對材料的要求和選用就各不相同。
4.1燃燒室用高溫合金
燃燒室所受的機械應力較小，但熱應力較大，對材料的要求主要有：高溫抗氧化和抗燃氣腐蝕性能；足夠的瞬時和持久強度；良好的冷熱疲勞性能，良好的工藝塑性（持久，彎曲性能）和焊接性能；合金在工作溫度下長期組織穩(wěn)定。
4.2 導向葉片用高溫合金
導向葉片的第一級是渦輪發(fā)動機上受熱沖擊最大的零件之一。但由于它是靜止的，所受的機械負荷并不大。通常由于應力引起的扭曲、溫度劇烈變化引起的裂紋以及過燃引起的燒傷，使導向葉片在工作中經(jīng)常出現(xiàn)故障。根據(jù)導向葉片工作條件，要求材料具有如下性能：足夠的持久強度及良好的熱疲勞性能；有較高的抗氧化和抗腐蝕的能力；如用鑄造合金，則要求具有良好的鑄造性能。
4.3 渦輪動葉片用高溫合金
渦輪工作葉片是渦輪發(fā)動機上最關鍵的構件之一。雖然工作溫度比導向葉片要低些，但是受力大而復雜，工作條件惡劣，因此對渦輪葉片材料要求有：高的抗氧化和抗腐蝕能力；高的抗蠕變和持久斷裂的能力；良好的機械疲勞和熱疲勞性能以及良好的高溫和中溫綜合性能。
4.4 渦輪盤用高溫合金
渦輪盤在工作中受熱不均，盤的輪緣部位比中心部位承受較高的溫度，產(chǎn)生很大的熱應力。榫齒部位承受最大的離心力，所受的應力更為復雜。為此對渦輪盤材料要求有：合金應具有高的屈服強度和蠕變強度；良好的冷熱和機械疲勞性能；線膨脹系數(shù)要小，無缺口敏感性，較高的低周疲勞性能。
五 、高溫合金的發(fā)展趨勢和新技術
為滿足新一代的燃氣輪機對高性能材料的需要，除在定向凝固鑄造技術和單晶鑄造技術等方面繼續(xù)發(fā)展以外，粉末高溫合金技術和新型的抗高溫氧化、抗燃氣沖刷防護涂層技術也得了廣泛的應用。
5.1 粉末高溫合金技術
FGH51粉末高溫合金是采用粉末冶金工藝制備的相沉淀強化型鎳基高溫合金。該合金γ相的體積分數(shù)為$,-左右，其形成元素的原子分數(shù)為50%左右。合金盤件的制造工藝路線是采用真空感應熔煉制取母合金，然后霧化制取預合金粉末，進而制成零件毛坯。與同類鑄、鍛高溫合金相比，它具有組織均勻、晶粒細小、屈服度高和疲勞性能好等優(yōu)點，是當前650度工作條件下強度水平最高的一種高溫合金。該種高溫金主要用于高性能發(fā)動機的轉動部件，如渦輪盤和承力環(huán)件等。
5.2 新型涂層技術
要提高燃氣輪機渦輪葉片零件工作溫度和延長其壽命，對防護涂層，特別是在可能熱腐蝕條件下工作的涂層提出了苛刻的要求。傳統(tǒng)的擴散鋁化物涂層和滲鋁硅涂層已經(jīng)不能滿足高壓渦輪葉片抗高溫氧化和抗高溫燃氣高速沖刷的工作要求，只能用于低壓渦輪導向器和整流支柱表面的保護。兩種新型涂層等離子噴CoCrAlSiY/ZrO2剃度涂層和電子束CoCrAlSiY/ZrO2剃度涂層已經(jīng)在燃氣輪機渦輪葉片上得到了應用，由于具有最佳成份的厚度，既滿足了葉片的工作條件要求又大大增加涂層與葉片基材的結合強度，極大地提高了葉片的使用壽命。
在目前的使用中，等離子噴涂CoCrAlSiY/ZrO2涂層主要應用于高壓渦輪導向器上，而電子束CoCrAlSiY/ZrO2涂層主要應用于高壓渦輪動葉表面。等離子噴涂CoCrAlSiY/ZrO2剃度涂層是沿高溫合金基體至涂層表面的厚度方向上，ZrO2含量逐漸增加，CoCrAlSiY 含量逐漸減少，表現(xiàn)出涂層成份剃度化分布，剃度涂層層與層間無明顯的成份突變，組織呈連續(xù)變化，大大提高了涂層與基材的結合強度。
該種涂層最大厚度可達180μm，可降低100~150度的工作溫度。電子束:剃度涂層是通過制備一定直徑的靶材，當電子束射擊靶材時，通過靶材中的元素蒸發(fā)和真空室中連續(xù)供給氧氣的技術，使金屬Zr和Y 原子在CoCrAlY涂層表面形成在Y2O3中穩(wěn)定的ZrO2涂層。涂層成份的變化通過控制電子束噴涂設備的功率來調整。該種涂層最大厚度可達120μm。
可以預見，今后將會有更多的不同元素組成的涂層應用于燃氣輪機高溫部件上，這樣就可以大大提高燃氣輪機的效率、可靠性和經(jīng)濟性，滿足不同用途燃氣輪機的使用要求。
六 、現(xiàn)有水平及發(fā)展趨勢
美國在20世紀90年代推出了一些新型鎳基合金，Haynes242,230,214和556等。新型Inconel718. 合金已用于美國F-117飛機發(fā)動機的尾噴管蜂窩夾芯板，該蜂窩夾芯板用超塑性成形擴散連接加工而成，能耐高溫、壓力和聲壓。
Haynes242為Ni-Mo-Cr時效硬化合金，具有較高的強度和塑性、良好的抗氧化性和低熱膨脹系數(shù)，可不用涂層防護，目前這種合金制成的發(fā)動機構件現(xiàn)已進入試車階段，主要用于發(fā)動機環(huán)形件和件。Haynes230成份Ni-22%Cr-14%W2%Mo，主要用于發(fā)動機燃燒室部件和密封件等。Haynes214的成份為Ni-16%Cr-4.5% Al-13%Fe-Y，它是一種優(yōu)良的抗氧化材料，用于蜂窩密封件時，其性能為Hastelloy的8倍。Haynes556為Fe-M-Cr-Co合金，為用于高溫合金的新型焊接材料，主要也用于發(fā)動機構件。
美國為節(jié)約短缺的戰(zhàn)略元素，由NASA的劉易斯研究中心、加州大學和聯(lián)合技術研究中心共同研制成功一種具有優(yōu)異性能的鐵基高溫合金，成份是20%Cr20%Mn 和3.2%C，其余為Fe，其組織特征是含有成排的碳化物。該合金性能可與鎳基合金MAR-M200相匹敵。
俄羅斯在變形高溫合金方面發(fā)展了一系列鎳基合金，Ⅱ222為Ni-Cr-Fe-Mo合金，在800度下抗拉強度為400Mpa。Ⅱ698在750度100小時持久強度為392Mpa，用于制造模鍛渦輪盤。Ⅱ868為NI-Cr-W熱穩(wěn)定合金，在700度條件下的抗拉強度為510-560Mpa。
國外在鑄造和粉末冶金高溫合金方面也研制了大量新型合金，用于制造渦輪盤和殼體等，如鎳基鑄造合金（Ni-Cr-Fe合金）用于制造氫氧發(fā)動機轉子，在超低溫下抗拉強度為1200Mpa，在800度下抗拉強度仍為600Mpa。BMA-6抗拉強度大于14000Mpa，用于制造氫泵。
近年來單晶高溫合金的研究普遍展開，多種單晶合金不斷問世，現(xiàn)已發(fā)展到第三代，新材料有PWA1487和MCZ-CMX-4等。此外新的定向結晶高溫合金作為高溫合金的一個發(fā)展方向，近期發(fā)展較快。
美國在高溫合金的研究應用方面一直處于領先地位，研制成功的Inconel718鎳基合金已在飛機發(fā)動機上得到應用。Inconel718 的產(chǎn)量在美國高溫合金中已占第一位。為滿足航天器結構及飛機發(fā)動機結構的高性能要求，美國不斷開發(fā)新型高溫合金材料，如Haynes556等。
日本在鎳基單晶高溫合金（如TiMS556）、鎳基超塑性高合金（如TMP-3）和氧化物晶粒彌散強化高溫合金（如TMO-2）方面取得了較大的成功，上述3種鎳基合金的研究采用了計算機合金設計。其中TMS26 單晶合金葉片在1040度和137Mpa 下的蠕變斷裂壽命超1000小時。
MTO-Z等晶粒彌散強化合金的高溫強度比單晶合金還高得多。英國較早地開展了高溫合金的研究和應用，形成自已的一系列高溫合金體系，如Nimonic 系列等。近年來也不斷推出新型號的合金材料，如國際鎳公司發(fā)展的低膨脹系數(shù)合金4005（42Ni-29.5Fe-18Co-6Al-3Nb-1.5Ti）等。合金發(fā)展的一個主要特點是日益提高加入合金元素的總量。
我國正在開發(fā)一種用于680-700度盤件生產(chǎn)的新型Inconel718（中國牌號GH4169）合金。該改型合金基于Ni-19Cr-18Fe-3Mo-B，W(NB)較高，為5.2%-5.5%Ni+Ti+Al摩爾分數(shù)控制在6.5%-7.5%范圍內，(Al+Ti)/Nb 原子比控制在1.1-1.4范圍內，w（W）1%-2%為增強固溶強化效果，有時添加低含量的Co，一定含量的P作為該新型合金的晶界強化元素。
該改型718合金的科研開發(fā)目的在于提高合金性能以得到高質量特別是更長的應力斷裂壽命及提高650-700度的溫度特性。
目前改型718合金的目標是作為700度的盤件材料。其改變如下：（1）高溫強度（例如700度）特別是應力斷裂壽命和蠕變性能必須與傳統(tǒng)Inconel718在650度時的性能相同；（2）調整主要強化元素Nb,Ti，Al（沒有添加貴重元素Ta），同時保持γ1和γ2沉淀強化特性；（3）加入少量固溶強化元素，例如W和Co，但Co 含量應盡可能控制得低；（4）P作為一種新的晶界強化元素加入到合金中。
另一種我國自主研制的γ沉淀硬化鎳基高溫合金GH4133(GH33A)，w(Nb)1.15%-1.65%，已生產(chǎn)20多年，廣泛應用于700度的各種噴氣發(fā)動盤件上。為進一步提高持久（蠕變）強度和斷裂韌性，采用加Mg 微合金化，增強晶界強化效應，發(fā)展和生產(chǎn)了GH4133B合金，目前我國民航機的噴氣發(fā)動機渦輪盤,燃氣輪機都使用了該合金。
燃氣輪機廣泛應用于現(xiàn)代的發(fā)電、航空航天、船舶等領域，燃氣輪機技術水平的高低已成為一個國家科技水平、軍事實力的綜合國力的重要標志之一。通過分析目前世界先進發(fā)電燃氣輪機各主要部件的使用材料，及對未來下一代燃氣輪機使用材料的發(fā)展趨勢進行討論，可以有效把握和促進國內當前燃氣輪機制造用材料的開發(fā)和研究。
