温泽『技术专栏』关于叶片系列三:喷气式涡轮机和高温合金

国际金属加工网 2021年09月30日

在我们的第一篇文章“突破”和“喷气式飞机制造商”带领我们穿越历史的旅程时,喷气式飞机的发展永远改变了世界。

随着喷气发动机技术不断发展,喷气发动机的无限潜力显而易见。今天我们将了解合金或更好的高温合金的发展。

与特殊合金相比,普通合金显得微不足道——这种特殊的合金被称为“高温合金”。正是这种合金使得喷气式飞机时代成为可能。

这项研发始于Frank Whittle 爵士的全钢原型。钢的强度和表面硬度都很好,但它的温度极限是450°C -500°C。

在早期的喷气式发动机中,对更好的性能和延长透平叶片寿命的需求促进了行业的发展。几十年来,这些同样的需求引起了所有人的共鸣,因此,50 多年来,温泽团队为支持制造业的发展而始终保持创新,并成为创新解决方案的一部分而自豪,尤其是航空业。

今天,我们将着眼于选择能够提供最佳性能的材料,以确保透平叶片在长时间内保持最佳性能,并将其提升到一个新的水平。

透平叶片材料的选择

喷气式飞机制造商把目光转向了镍合金。钨太重了,铜的熔点太低。镍有多种优势:储量丰富、坚固、廉价、轻便的镍使其机械强度可承受高达 700-800°C 的温度,并且具有耐腐蚀性——这对于在喷气发动机内部运行的部件而言是非常宝贵的特性。更重要的是它形成合金的能力,以及其中一种合金的特殊性质,即镍与铝结合形成的gamma-prim化合物,其可以在高温下保持其强度。

1929 年,Bedford 和 Pilling 以及 Merica 已经同时做到了这一点。他们在当时众所周知的“80/20”镍铬合金中添加了少量的钛和铝。出现显着的强化蠕变!“在钢甚至钛中,当你达到熔点的 40-50% 时,强度会迅速下降,”劳斯莱斯材料主管Neil Glover在接受采访时说。“镍合金在高达 85% 的熔点时仍能保持其强度。”

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请看这条紫色线条(镍基合金,商标名:Inconel 718)。它先缓慢下降,然后当温度降到650-700°C时便开始快速下降。使用这种镍基合金是有限制的。请看绿线(用于透平机的典型不锈钢材料:PH-13-8Mo)。在室温(20°C)下,其强度更高。但是随着温度的升高,强度会迅速下降,在500°C下降到紫线以下,然后完全停止。为什么?因为性能的进一步下降是如此显著,以至于在那之后它的表现就像黄油一样(当然,这只是个比喻,这是为了比较它在室温下的强度)。

高温合金,或称高性能合金,是一种能够在熔点较高的环境下工作的合金

特殊的转子叶片和静子叶片由这种基于高熔点镍的合金制成。高温合金的主要特性是优异的机械强度、抗热蠕变性、良好的表面稳定性以及抗腐蚀性或抗氧化性。现代透平叶片通常使用含有铬、钴和铼的镍基高温合金。元素铼有助于进一步抵抗蠕变。即使长时间暴露在超过 650°C (1,200°F)以上的环境下,它们仍能保持大部分强度,且由于将这种高强度与良好的低温延展性和出色的表面稳定性相结合而产生的多功能性,从而制成了超级合金,这是极好的!

三大类超级合金是镍基、铁基和钴基合金。

增强所选材料以获得最佳性能

涂层还可以提高叶片寿命,在某些情况下几乎可以使透平叶片的寿命增加一倍

这种高温合金的性能堪比超级巨星,不过叶片必须应对的不仅仅是极端温度。它们旋转的速度极快,离心载荷相当于几吨,尽管它们在接近 980°C /1800°F 的温度下仍能保持显著的强度,但由于存在活性合金元素(其提供它们的高温强度),它们往往无法抵御环境的攻击。

表面侵蚀包括氧化、热腐蚀和热疲劳。改进措施之一是在最热的发动机部件中涂上一层薄陶瓷膜以减少进入高温合金的热流。1970 年代应用的第一批透平叶片涂层是铝化物涂层。改进的陶瓷涂层在 1980 年代面世。该涂层允许至少高出 170°C 的工作温度。它提供保护,免受热疲劳和蠕变的影响,以及燃烧气体中硫酸盐和其他含氧化合物的氧化作用。

这是迈向真正的复合高温透平机部件的第一步,从而提高环境阻力。同时涂层还可以提高叶片寿命,在某些情况下几乎可以使透平叶片的寿命增加一倍。涂层沉积在表面上,厚度约为 0.1-0.3 毫米,这足以为底层金属提供热保护。在过去的 10 年中,涂层的重要性以及使用或不使用粘合涂层的争论也得到了广泛的研究。

650°C 的“冷却”空气,这并不像我们传统意义上的认识到的“冷”,但考虑到燃烧室的温度为 2000°C,那么 650°C相对来说就是冷的!

另一个主要因素是叶片的冷却。650°C 的“冷却”空气并不是我们所认识的“凉”,但是考虑到燃烧室达到2000°C ,那么650°C 相对说就就比较凉了。

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这种“较冷”的空气从发动机上部吸入叶片的空心中,然后通过小孔从叶片表面流出。根据经验,金属温度每升高 10°C,叶片寿命就会减半(对于特定的叶片材料和冷却技术)。因此,在这一发展中更重要的是引入冷压气机使空气冷却透平叶片的技术。使用这些先进的冷却技术,工程师可以将透平机入口温度提高到超过叶片材料的熔点。在现代发动机中,大约 20% 的压缩空气被抽走,用于喷嘴、静子叶片和透平叶片的冷却和密封。

摆脱蠕变

蠕变是固体材料在持续的机械应力作用下,发生缓慢运动或永久变形的趋势,它是一种随时间变化的变形。你可以想象一下,在高应力条件下不间断高温运行的转子叶片/静子叶片不可能永远维持不变。

抗蠕变性 = 强度 VS 温度 VS 时间

在金属和合金领域,对抗蠕变的斗争由来已久。直到20世纪50年代电子显微镜的出现,我们才真正开始了高温合金的视觉关系和极端的复杂性。所以即使你设计得当,你也必须考虑到,在一段时间(几个月或几年)后,由于高温下的高负荷,机械性能会下降,比如叶片会拉伸.. ... 抵抗蠕变,这就是所谓的抗蠕变。

重要的是,冶金学家已经摸索到了利用一系列强化效应,在高温合金中形成一个复杂的相互作用的细相结构。除了合金的改进,另一个突破是定向凝固(DS)和单晶(SC)生产方法的发展。通过定向晶界调控(DS)或完全消除晶界(SC)的方法,有助于提高抗疲劳和蠕变的强度。单晶研究始于20世纪60年代的普拉特•惠特尼集团公司(Pratt and Whitney),花了大约10年时间才得以实施。定向凝固的第一个实施方案是 SR-71的 J58发动机。

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使用电子显微镜等工具观察这些结构,对我们开发性能更好的叶片大有裨益。当今的工业CT (计算机断层扫描)设备的使用最新的x射线和3D扫描重建技术,在任何其他方法都无法测量或无法看到的部位,实现对内部和外部部件的可视化和测量。但这取决于叶片的大小、密度和厚度。然而,不可否认的事实是,我们从 400°C 钢制叶片到今天处于全新水平的叶片已经走了很长一段路,我们将会在下期的文章中对此进行探讨。在温泽,计量是我们最擅长的,如果产品不进行检测,就无法优化改进。

精准度 + 精密度 = 温泽


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加入我们的叶片之旅,了解透平叶片的一切!

---温泽测量

关于温泽

德国温泽集团是计量领域创新的先驱。温泽多样化的产品提供了三维测量、计算机断层扫描、光学高速扫描等多个行业的独特解决方案。温泽集团的技术解决方案在汽车、航空航天、发电医疗等众多行业中有大量应用。温泽在全球范围内已交付安装超过10,000台测量设备。其子公司和业务伙伴在超过50个国家销售产品,并提供售后服务以满足客户需求。

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