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  • 鈦合金在燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機應用



    燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機起源于1930年,最早是作為航空發(fā)動(dòng)機來(lái)研究的,目前在艦船上也廣泛使用。該發(fā)動(dòng)機體積小,重量輕,輸出功率大,不受燃料種類(lèi)的影響,且排氣干凈、震動(dòng)小。

    日本川崎重工于1974年開(kāi)始開(kāi)發(fā)200kW級的備用發(fā)電機燃氣輪機,1994年以軸流壓縮機為結構的世界頂級的6 000kW級常備發(fā)電機用燃氣輪機投入市場(chǎng)。這些燃氣輪機都使用了鈦材。

    川崎重工生產(chǎn)的1 500kW級M1A—13燃氣輪機,有兩級使用了鈦合金葉輪,額定轉速22 000r/min。一級渦輪盤(pán)用Ti-6Al—4V鍛件(最大直徑450mm),二級渦輪盤(pán)用高溫鈦合金Ti—6AI-2Sn—4Zr-2Mo鍛件。6000kW級的M7A-01燃氣輪機的轉速14 000r/min。其軸流壓縮機前半段低溫部分的動(dòng)葉片采用了比強度高、耐蝕性好的Ti-6Al-4V鍛件。

    航空用燃氣輪機要求盡可能輕,故開(kāi)發(fā)了早期使用的Al合金和Mg合金。鈦合金批量生產(chǎn)最早的是50年代普拉特惠特尼公司的J—57噴氣發(fā)動(dòng)機的壓縮機動(dòng)葉片及渦輪盤(pán)。目前,鈦合金制的精密鑄件也被使用,鈦合金的重量在最新式的燃氣輪機中已達到36%。適用部位有發(fā)動(dòng)機前部的大型風(fēng)扇動(dòng)葉片、壓縮機的動(dòng)、靜葉片、壓氣機盤(pán)、容納旋轉部件的外殼等。V2500渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機的鈦合金低壓壓氣機盤(pán)(最大直徑900mm),使用了Ti—6Al-4V三次真空熔煉材。

    該盤(pán)外圓鑲入的壓氣機動(dòng)葉片也使用了Ti—6A1-4V。為追求輕量化,還用鈦合金制成了大型中空風(fēng)扇動(dòng)葉片,并已實(shí)用。V2500采用了Ti-6Al—4V風(fēng)扇外殼,外殼用鈦材為直徑1700mm、高820mm的圓桶形。高溫鈦合金的開(kāi)發(fā)擴大了零件的適用范圍,典型的高溫鈦合金有Ti—6242Si、IMl829、IMl834及Ti-1100等,這使得燃氣輪機壓氣機的大部分都使用了鈦材。

    鈦合金應用于燃氣輪機,其材料的缺陷必須予以重視。1989年一架DC—10www.t0917.com飛機第二發(fā)動(dòng)機的Ti-6A1-4V風(fēng)扇盤(pán)破斷;1994年一架A300飛機起飛時(shí)第一發(fā)動(dòng)機的Ti—6A1-4V-2Sn-4Zr-2Mo高壓壓氣機盤(pán)破斷。兩起事故都是叫做硬質(zhì)α相的LDI(低密度氮化物夾雜)引起的疲勞龜裂發(fā)展所致?;谶@種教訓,便謀求高質(zhì)量的航空用鈦合金的熔煉技術(shù)的改進(jìn)和無(wú)損檢測技術(shù)的改進(jìn)。

    采用傳統的三次真空電弧熔煉(VAR)之外,再進(jìn)行一次用電子束冷床爐或等離子冷床爐熔煉來(lái)去除LDI,這種熔煉技術(shù)巳被規定為熔煉方法的技術(shù)要求(美國航宇材料標準AMS4280)。

    今后燃氣輪機用鈦材要求高強高溫化。γ-TiAl金屬間化合物是一種耐氧化、剛度和比強度都優(yōu)秀的輕質(zhì)耐熱材料。在實(shí)用化方面主要是針對鑄件的研究,已有計劃從1997年起將航空燃氣輪機高溫部件的Ni基超合金非重要零件用γ-TiAl來(lái)代替。同時(shí)燃氣輪機動(dòng)葉片的評價(jià)試驗也在進(jìn)行中。T-TiAl若實(shí)用化,則不僅壓氣機全部,而且渦輪機部分也要使用鈦材。

    鈦基復合材料(TMC)中,SiC長(cháng)纖維強化的TMC的比強度和比剛度都非常優(yōu)秀,現在正面向實(shí)用化進(jìn)行各種零件的評價(jià)。這些TMC實(shí)用方面的最大問(wèn)題是制造成本和無(wú)損檢測技術(shù)。

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