本帖最后由 hd_1000 于 2016-1-17 15:46 编辑 6 I4 j+ m5 \' p1 b, m/ _1 g# L* q2 O, G+ l# y% p
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以目前的技术而言,要实现燃气轮机效率最大化,必须提高温度。现代燃气轮机的热效率已达到
42%
以上,是最高效、最清洁的动力设备,然而要实现这样的热效率,燃气轮机的最高温度需要达到
1500
℃,普通材料到了这个温度,都已经融化了,所以科学家们希望能找到一种特别耐高温的材料
最初,科学家从自然界寻找耐高温的金属元素,镍就是其中之一,以镍为基础加上少量铜、铁、锡等元素形成的镍基合金能承受几百摄氏度的高温,想再提高温度,“天然”的找不到,只好“人造”了。
涡轮叶片的对比:
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图一 传统铸造涡轮叶片
7 @8 P. l+ |! k: l; ]" z- M图二 定向结晶涡轮叶片
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图三 单晶涡轮叶片
singlecrystal blade,经过了3代发展。
第一代是:镍基高温合金
第二代是:定向晶界的多晶
第三代:正在研制的单晶
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晶体的世界,可能会颠覆你对生物与非生物的认识,因为有些特殊用途的晶体是“长出来的”。
耐1100℃的镍基合金单晶叶片,如何抵抗燃气轮机内最高1500℃的高温,这又是一场大战。发现,在均匀分布的叶片之下,有各种气孔,在高温下这些气孔能通过导入空气形成冷风,来有效降低叶片的表面温度。
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单晶叶片指,只有一个晶粒的铸造叶片。定向结晶叶片消除了对空洞和裂纹敏感的横向晶界,使全部晶界平行于应力轴方向,从而改善了合金的使用性能。单晶叶片消除了全部晶界,不必加入晶界强化元素,使合金的初熔温度相对升高,从而提高了合金的高温强度,并进一步改善了合金的综合性能。单晶叶片整个铸件由一个晶粒组成的铸造高温合金。这是继定向凝固铸造高温合金之后,进一步提高合金强度和使用温度的一条途径。单晶叶片铸件的理想组织是叶根、叶身和叶冠,都由毫无缺陷的多相单晶体组成。晶体取向应是〈001〉方向,并与叶片主应力轴方向之间的偏离不应大于10度。单晶铸件可以用与定向凝固相同的设备和工艺制备,与定向凝固铸件的区别只在于在水冷底盘的上部加入选晶器或仔晶,以便控制单一晶体进入铸件。简史初期的单晶铸造高温合金采用普通铸造高温合金成分,在此情况下,单晶铸造高温合金与定向凝固铸造高温合金相比,除了改善横向强度和塑性外,其他性能并无明显改善。20世纪70年代末,出现了去掉晶界强化(见高温合金晶界强化)元素的单晶铸造高温合金,如美国的PwAl480、NASAIRl00。碳、硼、锆、铪等晶界强化元素去除后,提高了合金的初熔温度,从而允许提高固溶处理温度,获得更细小、弥散的Y’相(见高温合金材料的金属间化合物相),使合金的潜力得到更充分发挥。经过20多年的发展,出现了20多种单晶铸造高温合金。这些合金可以分为三代:第一代以PwAl480为代表,其承温能力比最好的定向凝固铸造高温合金PwAl422有25℃的优势;第二代以PwAl484为代表,比第一代又提高了25℃;正在研制的是第三代单晶合金。
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