高温合金发展简史及发展状况
序号 工业领域
1
化工
2
电热
3
油井
4 新能源
5
动力
6 航空航天
主要装备 反应器 发热体
油井套管 多晶硅用反应器 核电、超超临界火电 叶片、盘、燃烧室
总计
典型合金
年需求/吨 %
IN600，C-276
7,500 30
IN800，80A
5,000 20
028，G3，825
3,000
地面燃气轮机技术发展趋势
✓ 采用高循环参数(涡轮进口温度和增压比) ✓ 改善部件结构和性能 ✓ 采用先进的热力循环
关键技术
新材料：承温能力更高
提高
新工艺：定向、单晶凝固
涡轮 进口 温度
10～30℃ 涂层技术：热障涂层，
150℃～200℃
冷却技术：300℃～500℃
一般来说，涡轮进口温度提高40℃，燃机热效率 可提高1.5%，功率相应可增加10%。
地面燃气轮机叶片材料需求特点
材料特性： 良好的耐腐蚀性能 良好的组织稳定性 优异的铸造性能 足够的高温强度
航空发动机与重型地面燃机叶片差异
参数 航空发动机 重型地面燃机
重量
<0.5Kg
>3Kg
稳态下工作 <10000 时间/h
>20000
峰值温度下 工作时间/h
<500
>20000
环境
正常氧化
MM247
Base
B1900
IN100
1960
1970
1980
PWA 1426 1990
2000
高温合金发展简史及发展状况
高温合金发展简史及发展状况
高温合金发展简史及发展状况
高温合金发展简史及发展状况
高温合金发展简史及发展状况
中国主要铸造高温合金与国外合金对比
高温合金发展简史及发展状况
❖ 世界总产量约25万吨/年，中国需求2.5万吨/年，约占1/10
高温合金发展简史及发展状况
❖ 英国NIMONIC系列合金
NIMONIC alloy 80 1941 First Ti+Al Hardened Superalloy NIMONIC alloy 80A 1944 Modification of the Ti and Al for Strength NIMONIC alloy 90 1945 Addition of 16.5% Co to replace Ni NIMONIC alloy 95 1951 Further increases in Ti and Al NIMONIC alloy 100 1955 Addition of Mo + Refinement of Ti and Al NIMONIC alloy 105 1960 Enhanced Corrosion Resistant alloy 100 NIMONIC alloy 263 1971 RR-Developed Sheet Alloy NIMONIC alloy 115 1964 Highest Temperature Capability
热腐蚀
尺寸
小
大
（50-150mm）（300-700mm）
地面燃气轮机（IGT）涡轮叶片
国外地面燃气轮机叶片材料发展趋势
Aero engines
国外燃机叶片材料应用状况
制造商 燃机型号
静叶材料
动叶材料
输出功率
Alstom (ABB)
GT24 GT26
Ⅰ级：DS CM247LC
Ⅰ～Ⅲ级：DS CM247LC
高温合金发展简史及发展状况
高温合金发展简史及发展状况
Ni Superalloy Turbine Airfoils: Significant Advances in Alloys and Casting Processes…
250
Single Crystal
Alloy Temperature Capability (oF)
◆ DS GTD111合金900℃/2500h γ′尺 寸与DZ466合金900℃/8000h γ′ 尺寸相当
◆ DZ466 合 金 组 织 稳 定 性 优 于 DS
➢涡轮进口温度达到1260-1300℃，增压比10-30，简单循环效 率第3三6-、40四%代，燃联气合轮循机环技效术率55-58%。
➢第三代：使用最先进的高温合金和少量现有的超级合金、陶瓷 材料，涡轮进口温度在1400℃～1500℃，短时达到1600℃。 ➢第四代：涡轮进口温度达1600-1800℃，新材料应是密度小于
12
800H
3,000 12
690，617，740 1,500
6
镍基高温合金
5,000 20
25,000 100
❖ 民用镍基合金需求约2万吨/年，占中国总需求的4/5； ❖ 大量镍基合金靠进口(美国、欧洲和日本)，估计进口占总量1/2。
高温合金发展简史及发展状况
高温合金发展简史及发展状况
燃气轮机发展背景
Ⅱ、Ⅲ级: Mar M247LC Ⅳ、Ⅴ级: Mar M247LC
Ⅳ、Ⅴ级: IN738
GT26： 265 MW
GE 7/9FA Ⅰ级：FSX－414 （1300℃） Ⅱ、Ⅲ级:GTD222
Ⅰ级：DS GTD111 Ⅱ、Ⅲ级：GTD111
226.5MW
7H
Ⅰ级：Rene N5
（1500℃） Ⅱ级：DS GTD222
高温合金发展简史及发展状况
高温合金发展简史及发展状况
1906年，第一个镍基高温合金MONEL问世
高温合金发展简史及发展状况
1909年纽约市宾夕法尼亚火车站房顶用120T MONEL板材 至今100年延续使用
高温合金发展简史及发展状况
The U.S. Navy’s most advanced attack submarine, Virginia, launched in 2004, uses MONEL K-500 fasteners & hardware.
使用温度在900℃以下，舰船燃气轮机叶片 一代单晶，可用作F级燃气轮机高压 涡轮工作叶片
二代单晶，可用作H级燃气轮机高压涡轮工作叶片
国内燃气轮机叶片材料发展状况
DZ466合金：航材院新研制的耐腐蚀定向高温合金
DZ466
DZ466
K438
K438
DZ466合金承温能力比DS GTD111高10~15℃ DZ466合金高温拉伸性能优于DS GTD111合金，长期组织稳定性良好 可用于900-950℃使用的地面燃机、舰船及舰载机发动机涡轮工作叶片
高温合金发展简史及发展状况
高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上及一定应力 作用下长期工作的一类金属材料。在英美称之为超合金 （Superalloy），具有以下特点：
✓较高的高温强度； ✓良好的抗氧化合抗腐蚀性能； ✓良好的疲劳性能、断裂韧性、塑性等。 是航空发动机、火箭发动机、舰船动力和燃气轮机等高温热端 部件不可替代的材料。 根据合金材料成形方式的不同，可分为变形高温合金、铸造高 温合金和粉末冶金高温合金3类。 ✓变形高温合金：涡轮盘、涡轮轴、高压压气机盘、叶片、紧 固件等关键零部件。 ✓铸造高温合金：工作叶片、导向叶片、涡轮机匣等。 ✓粉末冶金高温合金：高、低压涡轮盘，封严盘，导流盘，涡
➢成卷轧制 ➢在干燥氢气当中进行光亮退火 ✓ 在1970年，哈氏合金公司被Cabot公司收购 ➢Stellite Division 成为Stellite部门 ✓ 1982年引进了4辊可逆式轧机 ➢ 6000吨分离力 ➢ 轧制板坯，厚板，连轧卷材 ✓ 1986年，哈氏合金公司从Cabot公司中分离出来 ➢成为现在的美国哈氏合金国际公司 ✓ 主厂在印第安那州的Kokomo，管材厂在路易斯安那州的Arcadia， 丝材厂在 北卡罗兰那州的Mountain Home
小
小
大
大
大
很大
小
低 （热效率高）
较高
高（大功率时回热或余热
（热效率较高） 利用与柴油机相当）
柴油
燃煤
多种燃料
快（但-16℃要预热启动 ）
很慢
快（-35℃可以启动）
惯性力矩大，振动小
类似燃机
旋转件易平稳
维护人员少，用水量少
维护人员很多，用水 维护人员少，方便，不用
量很多
或少用水
燃气轮机发展背景
——燃气轮机主要应用领域
国内外地面燃气轮机涡轮叶片 材料及涂层技术
肖程波、何利民 北京航空材料研究院
目录
➢高温合金发展简史及发展状况 ➢燃气轮机发展背景 ➢地面燃气轮机技术发展趋势 ➢地面燃气轮机叶片材料需求特点 ➢国外地面燃气轮机叶片材料发展趋势 ➢国外燃机叶片材料应用状况 ➢国内燃气轮机叶片材料发展状况 ➢燃机叶片涂层技术国内外发展状况 ➢高温合金展望
高温合金发展简史及发展状况
❖ 美国哈氏合金-HASTELLOY ALLOYS
✓ 1912年HASTELLOY 问世，发展至今哈氏A，B，C，D，E，F，G系列 ✓ 在1948年建立轧制厂之前，所有合金都是铸件。 ✓ 到20世纪60年代，氩氧脱碳技术(AOD)和电渣重熔技术(ESR)开始应用 ✓ 与此同时也开始有了现代化的冷轧技术
——燃气轮机分类
按使用对象
航空用 舰船用 工业用
涡轮喷气（涡喷）发动机 涡轮螺旋桨（涡桨）发动机 涡轮轴（涡轴）发动机 涡轮风扇（涡扇）发动机
燃 气
按循环方式
简单循环
复杂循环 联合循环
轮
机 分
按转子数目
类
单转子 双转子（分轴） 多转子（轴套、三轴）
按发展背景、结构