燃氣輪機高溫材料的未來

燃氣輪機是高材料標準的重要工程。如“新材料如何改善燃氣輪機”中所述，這些發動機需要使用某些已知的性能最高的材料，以實現更高的效率。通常，提高工作溫度是提高效率的最重要因素，為此，需要使用新材料。在本文中，我們將更深入地研究目前正在探索用于燃氣渦輪機未來的各種高溫材料。

盡管發動機的不同部分使用了多種材料（圖1），但在考慮用于燃氣輪機的新材料時，我們會多次考慮葉片，因為它們是要求最佳材料性能的部件。它們高速旋轉。因此，它們需要承受較高的機械負載，并且需要在超過1000°C的溫度下工作。挑戰在于制造能夠在很大的溫度范圍內保持高機械阻力的材料。此外，渦輪葉片的復雜形狀需要使用易于制造的材料。

通常，高溫合金材料具有足夠的機械性能，但是在高溫下，它們容易因蠕變而變形，并且氧化成為問題。另一方面，在高溫下具有極好的抗氧化性的材料（例如陶瓷）通常對于渦輪機的要求來說太脆。

為了解決這個問題，科學界提出使用由兩種或多種具有不同特性的成分形成的復合材料。結果是可以同時具有耐高溫和良好機械性能的材料。金屬基復合材料（MMC）就是這類材料之一，它們具有韌性金屬基體，上面分布有耐高溫顆粒或纖維。陶瓷基復合材料（CMC）也是一種替代選擇，特別是由于它們的重量輕。

燃氣輪機用高溫材料

圖1當前用于燃氣輪機不同部位的材料（Engine Alliance GP7000）[1]。

金屬基復合材料（MMC）

在MMC系列中，具有金屬間相的金屬合金是燃氣輪機高溫應用中最有希望的解決方案。存在多種可應用于渦輪機的不同類型和不同部分的合金。

近年來，具有硅化物顆粒的鉬基合金受到了廣泛的關注，目前正處于最新的發展階段。鉬由于其高熔點（2617°C）而引起了人們的關注，并且由道格拉斯·貝奇克[2]于90年代率先開發的Mo-Si-B合金有望在發動機中以比當前材料高得多的溫度運行[3]。這種合金在高溫下具有非常好的性能。矛盾的是，在低溫下，隨著變脆，會出現問題。這種脆性還給將材料加工成正確的形狀帶來了其他挑戰。

燃氣輪機中的高溫材料

燃氣渦輪發動機用于海上油氣中央處理平臺。

                              燃氣渦輪發動機用于海上油氣中央處理平臺。

正在探索將許多其他MMC應用于不同零件和種類的燃氣輪機。鈮或are是與鉬相似的金屬，也可以與硅或鈷合金化以形成MMC，并且可能在特定情況下使用[4,5]。

鋁化鐵（Fe-Al）基合金是在較低溫度下工作的零件的更便宜和更輕的選擇，也可用于蒸汽輪機。它們可以替代在溫度高達1000°C的結構應用中使用的不銹鋼[6]。硅化釩合金還可以在高達1000°C的溫度下提供高強度甚至更低的密度[7]。鈦合金具有優異的機械性能，可廣泛用于航空航天，石油化工和生物醫學行業。

另外，由于它們對各種加工參數的良好響應，它們已經通過增材制造進行了加工[8]。諸如碳化鈦和硅化鈦的金屬間化合物已被認真考慮用于要求低密度的應用中，例如航空航天業，并且鋁化鈦已經在商用飛機發動機的某些零件中使用。

陶瓷基復合材料（CMC）

CMC已進行了數十年的研究，現在將出現在燃氣渦輪發動機的高溫部件中。它們具有耐高溫和良好的機械性能。但是，由于它們的重量輕，僅為當前鎳基超級合金重量的三分之一，所以它們特別有趣。此外，陶瓷被用作隔熱涂層（TBC），從而增加了對環境隔熱涂層（EBC）的抵抗力。

基于碳化硅（SiC）的CMC已經可以用于商用飛機發動機，例如LEAP噴氣發動機和GE9X發動機。目前，它們用于噴嘴或護罩，它們是不要求具有高機械性能的零件，但很快它們也可能被引入葉片中[9,10]。SiC基CMC的挑戰之一是它們對燃燒環境的脆弱性。但是，基于共晶CMC的替代品已經在開發中（圖2）。

高溫材料的未來

圖2燃氣輪機中使用的材料，涂層和冷卻系統的演變以及CMC在未來的功能[11]。

最后的想法

材料科學界正在開發各種用于燃氣輪機的材料。該品種將使工程師能夠為不同類型的燃氣輪機或發動機的每個零件選擇具有定制性能的材料，從而使其更加靈活，高效。此外，新型耐高溫材料將具有更高的整體性能，從而減少對環境的影響和運營成本。