張 健，樓瑯洪，李 輝

(中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧沈陽110016)

1 前 言

燃?xì)廨啓C(jī)包括各類航空航天噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電和驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)、艦船動(dòng)力燃?xì)廨啓C(jī)以及各種微型燃?xì)廨啓C(jī)。目前，由燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)組成的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)，是人類掌握的熱-功轉(zhuǎn)換效率最高的大規(guī)模商業(yè)化發(fā)電方式[1]。近年來，全世界每年增長(zhǎng)的發(fā)電容量中，大約有36%為燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組提供[2]，燃?xì)廨啓C(jī)的功率和效率仍在不斷提高。

目前，燃煤發(fā)電在我國(guó)火力發(fā)電工業(yè)中仍占絕對(duì)主導(dǎo)地位，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電主要用于調(diào)峰，占總發(fā)電量的比例很小。僅從環(huán)保角度看，煤電的污染排放(SO2、NOx)已經(jīng)成為電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素?；谌?xì)廨啓C(jī)在我國(guó)潔凈能源可持續(xù)發(fā)展中的重要性和其廣闊的市場(chǎng)前景，重型燃?xì)廨啓C(jī)已經(jīng)被列入國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要中能源領(lǐng)域優(yōu)先發(fā)展的主題——煤的清潔高效開發(fā)利用、液化及多聯(lián)產(chǎn)的研究?jī)?nèi)容之中。未來我國(guó)將大力發(fā)展燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)，預(yù)計(jì)到2020年，將建成裝機(jī)容量約為6萬MW的燃?xì)廨啓C(jī)電站[2-3]。

按照燃?xì)獬鯗?，可將重型燃?xì)廨啓C(jī)分為3類[1]:①E級(jí)和F級(jí)，相關(guān)技術(shù)成熟并已經(jīng)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)獬鯗胤謩e為～1 150℃和～1 350℃;②G級(jí)和H級(jí)，相關(guān)技術(shù)正在開始走向市場(chǎng)，燃?xì)獬鯗剡_(dá)到1 450-1 500℃;③燃?xì)獬鯗馗叩奈磥硇腿細(xì)廨啓C(jī)，燃?xì)獬鯗馗哌_(dá)1 500-1 700℃，目前正在處于研發(fā)狀態(tài)，預(yù)計(jì)在2020年左右會(huì)進(jìn)入市場(chǎng)。

重型燃?xì)廨啓C(jī)的核心技術(shù)，主要掌握在幾家國(guó)外公司手中。美國(guó)GE、德國(guó)Siemens、法國(guó)Alstom和日本MHI等公司經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了燃?xì)廨啓C(jī)系列產(chǎn)品。盡管近年來國(guó)內(nèi)引進(jìn)了E級(jí)和F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的部分制造技術(shù)，在重型燃?xì)廨啓C(jī)的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程中取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但是重型燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)、控制技術(shù)、燃燒技術(shù)和熱端部件制造技術(shù)等幾項(xiàng)核心技術(shù)始終掌握在上述幾家國(guó)外公司手中。顯然，面對(duì)我國(guó)龐大的燃?xì)廨啓C(jī)市場(chǎng)需求，以及燃?xì)廨啓C(jī)在我國(guó)未來能源結(jié)構(gòu)中的重要地位，開展重型燃?xì)廨啓C(jī)核心技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，對(duì)我國(guó)有著極為重要的戰(zhàn)略意義。

重型燃?xì)廨啓C(jī)中使用的關(guān)鍵熱端部件——一、二級(jí)大型導(dǎo)向和渦輪葉片，基本采用定向柱晶或單晶高溫合金，通過定向凝固技術(shù)制造。國(guó)外相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟，大型定向和單晶葉片穩(wěn)定批產(chǎn)，國(guó)內(nèi)目前尚無制造能力，而相關(guān)材料和技術(shù)與先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片密切相關(guān)，國(guó)外對(duì)中國(guó)實(shí)行嚴(yán)格的技術(shù)封鎖和價(jià)格壟斷。因此，重型燃?xì)廨啓C(jī)定向結(jié)晶葉片的材料與制造技術(shù)，目前已成為我國(guó)自主發(fā)展先進(jìn)燃機(jī)裝備業(yè)的瓶頸。

2 重型燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的特點(diǎn)

重型燃?xì)廨啓C(jī)使用的燃料主要是天然氣和燃油，近年來發(fā)展的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC)技術(shù)，還將煤氣化合成氣作為燃料。重型燃機(jī)的工作環(huán)境和特點(diǎn)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)截然不同，這也對(duì)重型燃機(jī)熱端渦輪葉片使用的材料及其制造技術(shù)提出了不同的要求。表1簡(jiǎn)單對(duì)比了兩種葉片的典型特征[4]。圖1是兩種定向結(jié)晶葉片——GE公司 F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)高壓一級(jí)渦輪葉片與典型航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的照片[5]。首先，重型燃?xì)廨啓C(jī)的葉片尺寸和質(zhì)量遠(yuǎn)大于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，與典型航空發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)30～150 mm、質(zhì)量100～200 g重的葉片相比，重型燃?xì)廨啓C(jī)定向結(jié)晶葉片的長(zhǎng)度可達(dá)910 mm，質(zhì)量達(dá)到18kg[6];第二，重型燃?xì)廨啓C(jī)葉片的運(yùn)行時(shí)間和狀態(tài)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片不同。重型燃機(jī)葉片主要在穩(wěn)態(tài)工作，葉片大修周期長(zhǎng)達(dá)24 000～40 000 EOH(等效運(yùn)行小時(shí))，總壽命長(zhǎng)達(dá)6～8萬EOH[1，7]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的峰值工作時(shí)間短，溫度高于燃機(jī)葉片，但其巡航工作溫度又低于燃?xì)廨啓C(jī)葉片的穩(wěn)定工作溫度;第三，與航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用的潔凈燃料比較，重型燃?xì)廨啓C(jī)使用的燃料種類多，一般含有會(huì)對(duì)高溫合金材料造成熱腐蝕損傷的V，S等元素。因此，重燃葉片在保證高強(qiáng)度的同時(shí)，必須使用抗熱腐蝕的高溫合金材料。航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用的高溫合金材料通常具有優(yōu)異的抗氧化性能(圖2a)，但在熱腐蝕環(huán)境中短時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷(圖2b)。與航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片相似，先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)使用的渦輪葉片也具有復(fù)雜的冷卻結(jié)構(gòu)[7-8]，采用定向(DS)或單晶(SC)高溫合金、表面使用熱障涂層(Thermal Barrier Coating，TBC)。典型重型燃?xì)廨啓C(jī)葉片及涂層的使用情況見表 2[9]。

表1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片與重型燃?xì)廨啓C(jī)葉片的比較Table 1 Comparison of turbine blades used in industrial gas turbines(IGT)and aero engines

圖3簡(jiǎn)單總結(jié)了GE公司燃?xì)廨啓C(jī)熱端葉片材料、冷卻方式和工作溫度的發(fā)展歷程[10]?？梢钥闯觯?0世紀(jì)70年代之前，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒溫度的提升，完全依賴于高溫合金葉片材料本身的承溫能力，隨后冷卻技術(shù)的發(fā)展使燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒溫度不斷提高，材料的工作溫度也隨之提高到850℃以上，這不僅要求材料具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，也對(duì)材料的抗熱腐蝕性能提出了更苛刻的要求。20世紀(jì)80年代以來，燃?xì)廨啓C(jī)開始使用具有復(fù)雜冷卻結(jié)構(gòu)的定向結(jié)晶葉片，冷卻效率顯著提高，燃機(jī)的燃燒溫度也因此明顯提升。

表2 燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片材料和涂層的使用情況Table 2 Materials and coatings for blades and vanes of heavy duty industrial gas turbine

圖3 GE公司燃?xì)廨啓C(jī)熱端葉片材料、冷卻方式和工作溫度的發(fā)展歷程圖Fig.3 Development course of bucket material，cooling method，working temperature of gas turbine fabricated by GE company

3 重型燃?xì)廨啓C(jī)葉片使用的高溫合金材料

與航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片使用的高溫合金材料的發(fā)展歷程相似，國(guó)外燃?xì)廨啓C(jī)葉片使用的抗熱腐蝕高溫合金材料也經(jīng)歷了從傳統(tǒng)等軸晶(CC)鑄造合金，到定向柱晶和單晶合金的發(fā)展(圖 4[11])。

圖4 國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)用高溫合金的發(fā)展歷程圖Fig.4 Progress in aero and industrial gas turbine blade materials at abroad

燃?xì)廨啓C(jī)葉片用高溫合金必須兼顧材料的抗熱腐蝕性能、高溫強(qiáng)度、組織穩(wěn)定性以及鑄造工藝性能，表3列出了國(guó)外典型抗熱腐蝕高溫合金的主要成分?？梢钥闯觯?xì)廨啓C(jī)用高溫合金的成分主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):①合金中的Cr含量一般大于12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。較高的Cr含量可以保證在熱腐蝕環(huán)境中，合金表面能夠形成基本連續(xù)的Cr2O3保護(hù)膜。但Cr是高溫合金中的有害相-TCP相的形成元素，它作為固溶強(qiáng)化元素，在鎳基高溫合金中的強(qiáng)化效果也不如W，Mo，Ta等，因此抗熱腐蝕高溫合金中的Cr含量必須控制在合理的水平，以免影響合金的組織穩(wěn)定性和力學(xué)性能;②合金從多晶發(fā)展到定向和單晶，合金中Ta元素的含量逐漸增加。隨著燃?xì)廨啓C(jī)葉片工作溫度的提高，對(duì)抗熱腐蝕高溫合金高溫強(qiáng)度的要求不斷提升，Ta作為重要的強(qiáng)化元素，在抗熱腐蝕合金中的含量也逐漸增加。除了有效提高合金的高溫強(qiáng)度外，由于Ta在枝晶間偏析，它還可以通過調(diào)整定向凝固中糊狀區(qū)枝晶間液體的密度，降低鑄件中雀斑等缺陷的形成傾向[16-17]。一般認(rèn)為Ta對(duì)高溫合金的抗氧化性能也有一定的改善[18-21]。最近的研究還發(fā)現(xiàn)，Ta對(duì)提高合金抗氧化性能的貢獻(xiàn)有限，但可以顯著提高合金的抗熱腐蝕性能[22-23];③合金中Mo元素含量較低。Mo是高溫合金中有效的固溶強(qiáng)化元素，但由于其在熱腐蝕環(huán)境中容易引起酸性熔融反應(yīng)，產(chǎn)生嚴(yán)重的熱腐蝕[12，24]，因此，在燃?xì)廨啓C(jī)用抗熱腐蝕高溫合金中，Mo的含量一般較低;④合金中Ti、Al兩種元素的總量基本維持在7% ～8%的水平，但Ti含在鎳基高溫合金中的強(qiáng)化效果也不如W，Mo，Ta等，因此抗熱腐蝕高溫合金中的Cr含量必須控制在合理的量一般高于Al含量。Ti和Al是主要的γ'相形成元素，兩種元素的總量維持在7%～8%的水平可以充分保證合金中γ'相的體積分?jǐn)?shù)，從而保證合金的沉淀強(qiáng)化效果。由于Ti可能會(huì)與S反應(yīng)形成穩(wěn)定的固態(tài)硫化物，延緩金屬-金屬硫化物液態(tài)共晶的形成，從而延緩熱腐蝕反應(yīng)進(jìn)程[13]，改善合金的抗熱腐蝕性能。因此，抗熱腐蝕合金中的Ti含量一般較高。但合金中Ti含量增加，會(huì)顯著提高定向合金的熱裂傾向[25-26]，因此必須合理控制合金中的Ti/Al比;⑤抗熱腐蝕高溫合金中一般不含Re，Ru等貴金屬元素。Re和Ru是航空發(fā)動(dòng)機(jī)用先進(jìn)定向和單晶高溫合金中的重要強(qiáng)化元素，可以顯著提升合金的高溫強(qiáng)度。隨單晶高溫合金承溫能力的不斷提高，合金中的Re，Ru元素的含量也在不斷增加，第4代單晶合金中兩種元素的含量已經(jīng)分別達(dá)到6%和3%左右。但是，兩種元素的價(jià)格昂貴，資源稀缺，考慮燃?xì)廨啓C(jī)的制造成本，目前大規(guī)模商業(yè)化的重型燃?xì)廨啓C(jī)使用的葉片材料，以及國(guó)外正在研制的高強(qiáng)抗熱腐蝕單晶高溫合金中均不含Re和Ru。正在推向市場(chǎng)的G/H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中，僅有美國(guó)GE公司使用了含3%Re元素的第2代單晶高溫合金;⑥單晶合金中一般含有微量的C，B，Hf等元素。由于重型燃?xì)廨啓C(jī)的葉片尺寸很大，在定向凝固中更容易出現(xiàn)小角度晶界等缺陷，因此近年來傳統(tǒng)的晶界強(qiáng)化元素C和B被重新添加到抗熱腐蝕單晶合金中，以提高合金對(duì)小角度晶界等缺陷的容限[21，27]。例如，當(dāng)小角度晶界超過 10°時(shí)，PWA1483單晶合金的橫向持久性能會(huì)顯著降低，但含微量C，B，Hf的合金中，即使晶界角度高達(dá)25°，合金的持久性能仍然沒有明顯的降低(橫向持久樣品的應(yīng)力軸為＜100＞方向)[27]。

表3 國(guó)外典型鎳基抗熱腐蝕高溫合金的主要成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))Table 3 Compositions(mass percent)of typical hot corrosion resistant Ni-based superalloys at abroad

在我國(guó)，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所最早開展了抗熱腐蝕高溫合金的研發(fā)工作，研制了我國(guó)第1個(gè)抗熱腐蝕高溫合金K438。近年來，鋼鐵研究總院等單位也開始針對(duì)重型燃?xì)廨啓C(jī)用抗熱腐蝕定向合金的研制工作[28]。

圖5為中科院金屬所研制的部分燃?xì)廨啓C(jī)葉片用抗熱腐蝕高溫合金材料持久性能與典型國(guó)外同類合金的比較。從早期的仿制合金K438(等軸晶)開始，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，合金的強(qiáng)度水平不斷提高，正在逐步形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的燃?xì)廨啓C(jī)用抗熱腐蝕高溫合金體系，例如多晶合金K444、K452，定向合金DZ38G、DZ411，單晶合金DD8、DD10等。其中抗熱腐蝕定向合金DZ411和單晶合金DD10與國(guó)外重燃機(jī)廣泛使用的定向合金DS-GDT111和單晶合金PWA1483的持久性能水平基本相當(dāng)[27-31](圖6)。圖7為兩種合金的涂鹽熱腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果[32]，可以看出，兩種合金的抗熱腐蝕性能與著名的抗熱腐蝕合金K438基本相當(dāng)。900℃燃?xì)鉄岣g實(shí)驗(yàn)也得到了類似的結(jié)果。

圖7 DZ411(a)和DD10(b)合金950℃熱腐蝕實(shí)驗(yàn)曲線。實(shí)驗(yàn)采用涂鹽法(80%Na2SO4+20%K2SO4飽和溶液)，涂鹽量為～2 mg/cm2Fig.7 Results of hot corrosion testing at 950 ℃ for DZ411(a)and DD10(b)(Specimens were sprayed with 80%Na2SO4+20%K2SO4saturated solution and was coated with～2 mg/cm2salt)

對(duì)DZ411合金的組織穩(wěn)定性研究表明，合金經(jīng)900℃，24 000 h長(zhǎng)期時(shí)效后，組織穩(wěn)定，無TCP相析出。圖8是DZ411合金熱處理態(tài)，900℃，12 000 h和900℃，24 000 h長(zhǎng)期時(shí)效后的顯微組織比較。隨時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)，合金中的γ'相立方度降低，并逐漸長(zhǎng)大，特別是晶界位置析出了大塊、連續(xù)的γ'相[33]。利用掃描電鏡的背散射電子衍射(EBSD)分析發(fā)現(xiàn)，900℃，24 000 h長(zhǎng)期時(shí)效后，合金中的γ'相會(huì)沿[011]和[111]方向以枝晶形態(tài)長(zhǎng)大，導(dǎo)致合金的持久性能降低[34]。時(shí)效12 000 h的樣品經(jīng)恢復(fù)熱處理后，可以得到比較理想的γ'相尺寸和形態(tài)，晶界形貌也回復(fù)到接近熱處理后的狀態(tài)(圖9)。力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果(表4)也表明，恢復(fù)熱處理可能是燃?xì)廨啓C(jī)葉片延壽的有效手段。

DD10單晶合金是目前國(guó)內(nèi)強(qiáng)度水平最高的抗熱腐蝕單晶合金，對(duì)合金的凝固過程、析出相種類，單晶制備工藝及熱處理制度等開展的系統(tǒng)研究表明[32，35-37]，合金組織穩(wěn)定，而且具有良好的鑄造工藝性能。圖10是DD10單晶合金熱處理態(tài)和經(jīng)900℃長(zhǎng)期時(shí)效后的γ'相形貌。與DZ411合金中觀察到的現(xiàn)象相似，γ'相在長(zhǎng)期時(shí)效中合并長(zhǎng)大，部分溶解，立方度降低，但合金中沒有TCP相析出，表現(xiàn)出良好的組織穩(wěn)定性[32，37]。

表4 DZ411合金900℃，12 000 h時(shí)效和恢復(fù)熱處理后的性能比較Table 4 Normalized properties of DZ411 after aging at 900℃，12 000 h and rejuvenation heat treatment

圖10 DD10單晶合金熱處理態(tài)(a)，900℃，6 500 h時(shí)效(b)和900℃，8 500 h時(shí)效(c)后的顯微組織Fig.10 Microstructure of DD10:(a)as heat treated， (b)after aging at 900℃ for 6 500 h，and(c)after aging at 900℃for 8 500 h

4 葉片制造技術(shù)

重型燃?xì)廨啓C(jī)用大型定向結(jié)晶葉片制造工藝，包括復(fù)雜大尺寸陶瓷型芯和陶瓷型殼的制造、定向凝固過程中的參數(shù)控制、葉片的熱處理和加工及長(zhǎng)壽命防護(hù)涂層制備等。其中，定向凝固技術(shù)是大型定向結(jié)晶葉片的關(guān)鍵制造技術(shù)之一。

從20世紀(jì)80年代開始，快速凝固技術(shù)(High Rate Solidification，HRS)被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)定向和單晶葉片的制造。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)技術(shù)向燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)移，HRS技術(shù)也被用來制造燃?xì)廨啓C(jī)使用的大型定向結(jié)晶葉片。由于尺寸差別巨大，利用HRS技術(shù)制造重燃機(jī)葉片時(shí)，必須重新優(yōu)化關(guān)鍵工藝，例如改善陶瓷型殼、型芯的材料和制造工藝，優(yōu)化蠟?zāi)２牧虾驮O(shè)計(jì)，對(duì)定向凝固參數(shù)進(jìn)行更精確的控制等[38]。但是，隨重型燃?xì)廨啓C(jī)葉片尺寸的增加，傳統(tǒng)的HRS技術(shù)在制造大型定向結(jié)晶葉片時(shí)遇到了越來越多的挑戰(zhàn)。

圖11是定向凝固中葉片尺寸與鑄造缺陷關(guān)系的示意圖[11，39]。由于HRS工藝定向凝固中，隨葉片尺寸的增加，固液界面前沿的溫度梯度不斷降低，為了維持固液界面穩(wěn)定的溫度梯度，獲得無凝固缺陷的鑄件，必須把液態(tài)高溫合金的溫度保持在很高的水平，同時(shí)降低凝固速率(近似定向凝固過程的抽拉速率)。但在1 500～1 600℃，甚至更高溫度下，活潑的液態(tài)高溫合金長(zhǎng)時(shí)間與陶瓷型殼和型芯接觸，很容易發(fā)生反應(yīng)，陶瓷型殼和型芯本身也容易發(fā)生蠕變、斷裂。因此，大型定向結(jié)晶葉片的工藝窗口很小(圖11中的灰色區(qū)域)，而且很容易出現(xiàn)等軸晶、縮孔、雀斑等缺陷。這同時(shí)也給型殼、型芯、葉片后處理等帶來一系列問題[4，11，40]。

圖11 定向凝固中鑄件尺寸與凝固缺陷關(guān)系示意圖Fig.11 Schematicdiagram of relationship between castingsizeand solidification defect during directional solidification

20世紀(jì)90年代，國(guó)際重型燃?xì)廨啓C(jī)市場(chǎng)發(fā)展迅速，對(duì)大型定向結(jié)晶渦輪葉片的需求也越來越迫切，為了解決HRS技術(shù)制造大型定向結(jié)晶葉片時(shí)面臨的上述問題，Siemens，GE和Alstom均開始高溫度梯度液態(tài)金屬冷卻(Liquid Metal Cooling，LMC)定向凝固技術(shù)的工程化應(yīng)用研究。到2000年左右，歐洲已經(jīng)完成了LMC技術(shù)的工程化研究，掌握了大型LMC葉片的批產(chǎn)技術(shù)。由于LMC工藝使用低熔點(diǎn)合金作為冷卻介質(zhì)，大幅度提高了整個(gè)定向凝固過程的溫度梯度，因此可以顯著細(xì)化鑄件的顯微組織、提高抽拉速率。除了合金組織與性能的顯著改善，LMC技術(shù)的另一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在大型葉片的定向凝固制造工藝中。由于LMC定向凝固中固液界面的溫度梯度始終很高，因此完全可以使液態(tài)高溫合金溫度保持在較低的水平，采用較快的抽拉速率，避免大尺寸陶瓷型殼、型芯發(fā)生上述HRS工藝中容易出現(xiàn)的問題。文獻(xiàn)[40]針對(duì)LMC工藝中低熔點(diǎn)合金冷卻介質(zhì)的選擇，LMC設(shè)備參數(shù)和工藝參數(shù)的優(yōu)化，以及LMC工藝制備的高溫合金的典型組織與力學(xué)性能做了較為詳細(xì)的介紹。

近幾年，國(guó)外結(jié)合數(shù)值模擬，針對(duì)LMC技術(shù)開展了進(jìn)一步的研究。例如Pollock等人[41-43]利用LMC技術(shù)制備了第二代單晶高溫合金，模擬了定向凝固過程中固液界面的位置，以及單晶合金的一次枝晶間距，研究了工藝參數(shù)對(duì)枝晶間距和縮孔尺寸與分布的影響。通過與傳統(tǒng)HRS工藝的對(duì)比，進(jìn)一步證實(shí)了LMC技術(shù)可以有效地細(xì)化組織，減少缺陷。Singer等人[44-45]還發(fā)現(xiàn)，由于LMC工藝使合金中縮孔的尺寸和體積分?jǐn)?shù)明顯減少，合金的疲勞性能得到明顯提升。

在我國(guó)，西北工業(yè)大學(xué)利用LMC技術(shù)高溫度梯度的特點(diǎn)，在合金凝固理論方面開展了大量的研究工作，對(duì)高溫度梯度下定向和單晶合金的凝固特征、顯微組織等進(jìn)行了較為系統(tǒng)和深入的研究[46-50]。鋼鐵研究總院利用傳統(tǒng)HRS技術(shù)，結(jié)合數(shù)值模擬，研制了總長(zhǎng)約300 mm的定向結(jié)晶燃?xì)廨啓C(jī)葉片[51]。

中國(guó)科學(xué)院金屬研究所從2003年開始探索LMC技術(shù)的工程化應(yīng)用，突破了抗熱沖擊模殼、低熔點(diǎn)金屬污染控制等關(guān)鍵技術(shù)，2009年成功研制了可滿足750 mm長(zhǎng)定向結(jié)晶葉片研制的大型LMC設(shè)備，為重型燃?xì)廨啓C(jī)大型定向結(jié)晶渦輪葉片的研制，奠定了裝備和技術(shù)基礎(chǔ)[52-53]。近年來，利用LMC技術(shù)，針對(duì)定向和單晶合金的定向凝固工藝[35，54-55]、顯微組織[56]、熱處理工藝[57]、典型性能[58-59]和鑄造工藝性能[60]等開展了較為系統(tǒng)的工作。研究表明，LMC技術(shù)可以獲得顯著細(xì)化的定向凝固組織，某些合金甚至可以鑄態(tài)直接使用，避免了后續(xù)固溶熱處理帶來的再結(jié)晶等問題。特別是在難以充分實(shí)現(xiàn)均勻化熱處理的大型定向結(jié)晶鑄件中，LMC工藝可使合金的疲勞性能得到明顯提升[61]。

重型燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的研制工作在國(guó)內(nèi)起步較晚，近年來中科院金屬所、鋼鐵研究總院等單位與國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)合作，研制了多種重型燃?xì)廨啓C(jī)使用的等軸晶渦輪和導(dǎo)向葉片，同時(shí)也開展了大型定向結(jié)晶渦輪葉片的研發(fā)工作[62]。

近年來，金屬所成功研制了430 mm長(zhǎng)的實(shí)心定向葉片;在突破大尺寸抗熱沖擊型殼、復(fù)雜型芯、定向凝固等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用LMC技術(shù)成功研制了450 mm長(zhǎng)、具有復(fù)雜冷卻內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的大型DZ411定向結(jié)晶渦輪葉片。

由于較慢的拉伸速率和較低的凝固速率，傳統(tǒng)HRS工藝制造的大型定向結(jié)晶鑄件的一次枝晶間距約為350～550 μm[63-64]，在葉片中容易出現(xiàn)由于宏觀偏析造成的雀斑等缺陷[65]。對(duì)LMC工藝制備的大型定向結(jié)晶葉片的鑄態(tài)顯微組織進(jìn)行分析表明，一次枝晶間距(PDAS)和二次枝晶間距(SDAS)均隨離開冷卻底盤的距離的增加而增加，在葉片延伸段和榫頭位置，PDAS最大，約為320 μm(圖12)。鑄態(tài)葉片不同位置的共晶尺寸和體積分?jǐn)?shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖13，鑄造縮孔尺寸和體積分?jǐn)?shù)見圖14。由于LMC工藝較高的溫度梯度減輕了定向凝固中的偏析，所有葉片中均未出現(xiàn)大型鑄件中容易產(chǎn)生的雀斑等缺陷。

圖12 葉片不同位置的一次枝晶間距(a)和二次枝晶間距統(tǒng)計(jì)(b)Fig.12 Primary dendrite arm spacing(a)and secondary dendrite arm spacing(b)in the blade cast by LMC process

圖15 LMC葉片經(jīng)1 210℃ (a)，1 220℃ (b)，1 230℃(c)固溶熱處理后，DZ411合金的典型顯微組織Fig.15 Microstructure of the blade heat treated at 1 210℃ (a)，1 220℃ (b)，and 1 230℃ (c)

固溶處理溫度對(duì)DZ411合金的組織影響很大，圖15是葉片延伸段取樣經(jīng)不同溫度固溶處理后的典型顯微組織。可以看出，隨固溶溫度的提高，合金中枝晶間的殘留共晶逐漸減少，較高的固溶處理溫度可以使鑄態(tài)枝晶間的共晶完全溶解，實(shí)現(xiàn)合金的充分均勻化。但是，較高的固溶處理溫度也可能帶來再結(jié)晶、初熔等缺陷[6]。合金經(jīng)固溶和時(shí)效熱處理后，基體中析出了立方度較好、尺寸約為300 nm的γ'相，在γ基體通道中，還析出了細(xì)小的二次γ'相(圖16)。

在上述工作的基礎(chǔ)上，近年來，金屬所也開展了大型單晶葉片的研制工作。結(jié)合計(jì)算模擬技術(shù)，通過合理設(shè)計(jì)單晶葉片澆注系統(tǒng)，精確控制定向凝固參數(shù)，成功制備了300 mm長(zhǎng)的大型單晶葉片(圖17)。

圖16 DZ411葉片熱處理后的典型γ'相形貌Fig.16 Typical morphology of γ'phase after heat treatment

圖17 利用計(jì)算模擬技術(shù)得到的單晶葉片定向凝固中的溫度場(chǎng)分布(a)，和利用DD10合金研制的燃?xì)廨啓C(jī)單晶葉片(b)Fig.17 Temperature distribution during directional solidification of a single crystal blade(a)，and single crystal blade(b)

5 結(jié) 語

大尺寸定向和單晶渦輪葉片是現(xiàn)代和未來先進(jìn)重型燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵熱端部件，因此研制具有優(yōu)異綜合性能(力學(xué)性能，抗熱腐蝕和抗氧化性能，鑄造工藝性能，涂層工藝性能，長(zhǎng)期組織和力學(xué)穩(wěn)定性等)的定向和單晶高溫合金材料，掌握大型定向結(jié)晶渦輪葉片的關(guān)鍵制造技術(shù)，是我國(guó)自主研發(fā)先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)的重要保障。

盡管目前國(guó)內(nèi)抗熱腐蝕鑄造高溫合金，已經(jīng)基本形成了等軸晶、定向柱晶和單晶合金的體系，但實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有合金的工程化應(yīng)用，保證重型燃?xì)廨啓C(jī)的自主研發(fā)和高效、高可靠性運(yùn)轉(zhuǎn)，仍需要開展大量深入的工作，主要包括合金、合金-涂層體系的長(zhǎng)壽命性能數(shù)據(jù)積累，近服役工況條件的性能測(cè)試與考核，合金的長(zhǎng)壽命組織性能演化規(guī)律及損傷機(jī)制，部件的壽命評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)等等。此外，針對(duì)未來先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)的需要，必須開展工作溫度更高的抗熱腐蝕定向和單晶合金的研制。由于重燃葉片的尺寸越來越大，大型定向和單晶葉片中的某些缺陷，例如單晶葉片中的小角度晶界很難完全消除，所以在合金研制中，在系統(tǒng)研究缺陷對(duì)合金性能影響的同時(shí)，必須考慮如何提高合金的缺陷容限。

大型葉片制造包括定向凝固及后續(xù)處理和加工、涂層等。其中定向凝固技術(shù)、長(zhǎng)壽命涂層技術(shù)，是定向和單晶葉片的核心制造技術(shù)。除高溫度梯度LMC技術(shù)外，還涉及大型陶瓷模殼、型芯、蠟?zāi)５闹圃炫c脫除，固溶熱處理及其它熱工藝過程中的再結(jié)晶控制，涂層材料及制造工藝等。因此，為實(shí)現(xiàn)大型定向結(jié)晶和單晶葉片的工程化制造與應(yīng)用，仍需開展大量工作。未來先進(jìn)重型燃?xì)廨啓C(jī)熱端葉片的工作溫度不斷提升，由于單晶高溫合金材料本身的承溫能力提升幅度較小，而且需要添加Re等貴金屬元素，因此先進(jìn)冷卻技術(shù)(例如，先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用的層板冷卻技術(shù))和熱障涂層技術(shù)的應(yīng)用對(duì)未來大型單晶葉片的發(fā)展和應(yīng)用意義重大，這也對(duì)大型復(fù)雜單晶葉片的制造工藝提出了更高的要求。

材料與工藝的計(jì)算模擬技術(shù)，是優(yōu)化重型燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵熱端部件制造工藝，推動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的重要手段。從先進(jìn)高溫合金的成分設(shè)計(jì)，熱處理制度設(shè)計(jì)，力學(xué)行為，氧化腐蝕行為，大型鑄件的定向凝固工藝優(yōu)化與缺陷控制，到材料和部件的使役行為，損傷與壽命評(píng)估及預(yù)測(cè)，均需要依托研發(fā)工作中的大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累，開展相應(yīng)的計(jì)算模擬工作，不斷豐富相關(guān)材料理論，同時(shí)指導(dǎo)先進(jìn)材料與復(fù)雜熱端部件的研發(fā)與應(yīng)用。

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