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渦輪發動機也開始使用鈦合金了
2020-09-02
渦輪盤用高溫鈦合金：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；良好的冷熱和抗機械疲勞性能；線膨脹系數要小，無缺口敏感性，較高的低周疲勞性能。 渦輪動葉片用高溫鈦合金：渦輪工作葉片是渦輪發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。 導向葉片用高溫鈦合金：導向葉片的第一級是渦輪發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常出現故障。根據導向葉片工作條件，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。 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。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定。 高溫合金的發展趨勢和新技術。為滿足新一代的燃氣輪機對高性能材料的需要，除了在定向凝固鑄造技術和單晶鑄造技術等方面繼續發展以外，粉末高溫鈦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。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相的體積分數為5左右，其形成元素的原子分數為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動機的轉動部件，如渦輪盤和承力環件等。 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，表現出涂層成分剃度化分布，剃度涂層層與層間無明顯的成分突變，組織呈連續變化，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和真空室中連續供給氧氣的技術，使金屬Zr和Y 原子在CoCrAlY涂層表面形成在Y2O3中穩定的ZrO2涂層。涂層成分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。 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。傳統的擴散鋁化物涂層和滲鋁硅涂層已經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剃度涂層已經在燃氣輪機渦輪葉片上得到了應用，由于具有最佳成分的厚度，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。 |