效率更高的涡轮机
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——燃气轮机的发展与镍合金的开发关系密切 By John Milne镍杂志, 2007年3月 -- 当今一台典型的喷气发动机要使用大约1.8吨镍合金，而且包括许多定制的镍基合金以满足特殊要求。现代商用喷气发动机大修前的有效寿命约20000小时飞行时间，而20世纪40年代末的发动机样机有效寿命只有5小时。 60年前，德国和英国开始试验用燃气轮机作为飞机的动力。涡轮机的进气风扇压缩空气，并将压缩空气送入燃烧室，液体燃料在燃烧室内燃烧，使热空气膨胀；膨胀驱动涡轮机热段和进气风扇。现在的燃气轮机也大体是这种运行方式。 早期燃气轮机的使用寿命仅有5小时左右，因为当时的碳钢合金经受不了喷气发动机燃烧段的高温(950～1100℃)。发动机可以工作，但实际应用由于高温气体段所用的材料被腐蚀而受到限制。为了使燃气轮机成为高效、可靠的发动机，需要使用性能得到改进的合金。 镍由于其固有的强度、耐腐蚀的性能，以及与其他金属合金化的能力而成为开发喷气发动机用更佳合金的基本金属。20世纪40年代和50年代的冶金学家们认识到镍-铬和镍-铬-钴合金比一般用途中使用的不锈钢强度更高，更耐腐蚀和氧化。这些镍-铬和钴合金能够延长燃气轮机的寿命。早期的合金如N06600(含镍72%)的成功开发鼓舞冶金学家开发出更高效、耐用的合金用于喷气发动机的制造。 镍基合金及其锻轧和铸造产品加工技术的开发到达一个平台阶段了吗？ 一台燃气轮机的效率与进气、周围空气、燃烧室之间的温差有关。燃烧区的温度越高，从燃料中获得的能量越大。这就是我们需要能够经受更高燃烧室温度的合金的原因。随着冶金工业的发展，新的合金被开发出来应对这个难题。这些合金绝大多数是添加铬和其他元素的镍基合金，目的是提高强度和抵抗更高温度下的氧化/腐蚀。正如燃气轮机一样，合金的发展也分为三个阶段。 首先，通过提高锻轧和铸造合金的镍含量和铬含量来改进合金，采用真空冶炼技术减少有害氧化物的形成。然后，研究人员考虑了改进合金的化学成分。下一步是添加除镍、铬或钴以外的合金元素，目的是制造在更高温度下工作的设备。特别是添加钨、钒、钼和铌，可生产出含有多达12种金属元素的复杂合金。所开发出的合金中包括N06102(含镍68%)，该合金用于喷气发动机有非常好的特性。真空冶炼技术的进步使如此复杂的合金的生产成为可能，同时保持了合金洁净度和均匀的显微组织。 第二是使用涂层，例如铝化物(CoAl或NiAl)，它们可用于制造更耐腐蚀或氧化的基本合金部件。 开发的第三阶段是铸造合金部件，例如热段涡轮机叶片，由于在熔融金属的凝固过程中会有一些元素在晶界产生偏析，因此该部件是一个薄弱点。通过开发新的热段涡轮机叶片铸造技术解决了这个问题。例如定向凝固和单晶铸件可使燃气轮机在更高的温度下运行，从而获得更高的燃料效率。 今天我们期待着冶金精炼技术的进一步提高，使燃气轮机的水平达到又一个新高度，而这些改进将依赖于镍基合金的不断发展创新。 John Milne is a consultant to the Nickel Institute. PHOTOS: Rolls-Royce
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