混氢燃气轮机用高温结构材料与热障涂层研究进展

随着全球能源结构的转型和环保要求的提高,混氢燃气轮机作为一种高效、低排放的能源转换设备受到了广泛关注。本文综述国内外混氢燃气轮机的发展现状,分析燃气轮机中氢气燃烧的特性,探讨燃氢对复杂部件的影响及其高温材料的应用,同时分析在高温、高压和腐蚀条件下工作的热端部件材料所需满足的性能要求,以及目前材料研发中的主要挑战与潜在解决方案。详细讨论氢燃烧过程中,水蒸气以及氢脆效应对燃气轮机合金和热障涂层的影响。水蒸气会加速合金的氧化和腐蚀,导致合金力学性能下降。此外,氢脆效应也会严重影响合金的韧性和耐久性,增加裂纹扩展和断裂的风险。针对这些问题,未来研究应重点关注多场耦合模拟和加速腐蚀实验的探究,综合考虑温度、压力、不同气氛等多种因素,建立真实环境模拟器,评估合金和涂层性能。同时应注重氢气和水蒸气同时存在时对高温合金和热障涂层产生的复合效应,深入探究氢在合金中的扩散机制、与晶格缺陷的相互作用和引发氢脆的微观过程。构建高温水蒸气环境下氧化模型,明晰水蒸气在高温下的解离吸附机制,保护性氧化膜Al_(2)O_(3)和Cr_(2)O_(3)的羟基化以及非保护性氧化物(如尖晶石)的生长行为。

单晶高温合金的蠕变性能薄壁效应

单晶高温合金的薄壁效应是指当试样、零件厚度小于1 mm时,其持久寿命减少、蠕变速率增加以及其他力学性能发生显著衰减的现象。随着先进航空发动机单晶叶片零件内部冷却结构的发展,其部分区域结构厚度的减小使其属于典型的薄壁结构,因此在设计与制造叶片的过程中将薄壁区域的薄壁效应纳入考量具有重要工程意义。蠕变性能是航发叶片单晶高温合金材料最重要的性能之一,本文总结了单晶高温合金蠕变性能薄壁效应方面的研究以及薄壁效应研究中发展的先进实验设备。引起蠕变性能薄壁效应的机制包括氧化作用相对增强、各向异性效应更加显著、微观组织的变化、缺陷的萌生与运动方式变化,对蠕变薄壁效应产生影响的因素则有实验条件(温度、应力等),加工方式(直接铸造,机械加工),几何外形(矩形截面、环形截面、打气膜孔)。对单晶高温合金薄壁效应的研究属于工程应用范畴,薄壁件作为“积木式”验证评价技术中“元件级/模拟件级”的一环,在服役环境或近服役环境条件下研究薄壁效应就使得研究结果更具有应用价值,为此,国内外发展了各式各样的实验设备平台用于模拟叶片在发动机内的某一个或几种耦合服役条件(高温、高压、腐蚀/冲蚀、离心加载)。未来薄壁效应的研究应当在更接近实际服役条件下进行,即按实际叶片制造工艺制备实验试样,并在模拟服役环境设备上进行实验。

单晶合金与防护涂层智能设计进展

随着航空发动机涡轮前温度的不断提升,研发新一代航空发动机涡轮叶片用单晶高温合金及其热防护涂层迫在眉睫。为了满足航空发动机复杂的服役环境对高温结构材料综合性能提出的严苛要求,在材料集成计算工程与材料信息学的推动下,近年来国内外逐步开展了单晶高温合金与热防护涂层的智能设计研究,以提高研发效率、降低研发成本。本文重点综述多尺度计算模拟与机器学习方法在推动新型单晶高温合金与热防护涂层设计上的最新研究进展,确证了多尺度计算模拟为揭示单晶高温合金强韧化机理与热防护涂层抗氧化、阻扩散机制所提供的有效理论支撑,展现机器学习在构建高温结构材料“成分-组织-性能”内禀关系上的可靠性与巨大潜力,为新一代高承温单晶高温合金与热防护涂层提供了智能高效的快速研发新路径。

镍基铸造高温合金返回料回收再利用现状及发展趋势

镍基铸造高温合金材料通常含有多种稀贵金属,因此,其返回料具有重要的回收再利用价值。本文综述了国内外镍基铸造高温合金的返回料的回收再利用的现状以及主流的返回料净化处理工艺技术。在此基础上,对未来返回料的有效再利用技术及发展趋势进行展望,为国内相关行业中返回料的回收再利用提供借鉴。

热冲击对γ-TiAl基合金显微组织的影响

研究了利用红外辐照快速加热(热冲击)与时效处理对γ-TiAl基合金显微组织的影响.结果表明,热冲击可将片层团平均尺寸为300μm、片层间距为1.3μm的粗大铸态近全片层组织处理成为片层团界面平直、片层间距为140 nm的亚稳态组织.经过1260℃,6 h时效处理后.形成片层团平均尺寸为40μm、锯齿状片层团界面的稳态全片层组织.

电磁振荡对铝硅合金凝固组织的影响

研究了直流磁场与交流电同时作用下的Al-Si过共晶合金的凝固组织的变化。试验结果表明,电磁振荡可明显细化合金的宏观组织和显微组织,随着电磁压力的增加,宏观晶粒尺寸逐渐减小,并且共晶硅相间距减小。

电磁振荡Al-Cu合金凝固组织分析

利用直流磁场和交流电场产生的电磁振荡 ,凝固Al Cu亚共晶合金。结果表明 ,Al Cu合金在电磁振荡凝固条件下 ,电流密度和磁场强度有最佳值。在一定范围内随电流密度和磁场强度的增加 ,宏观组织得到细化 ,超过一定电流密度和磁场强度范围 ,合金组织有粗化的趋势。随着电流密度或磁场强度的增加 ,树枝晶破碎 。

热冲击对定向凝固Ni_3Al基合金显微组织和蠕变性能的影响

利用红外加热环境模拟系统对定向凝固Ni_3Al基合金进行1100℃的热冲击,利用光学显微镜和扫描电镜观察了合金的组织及裂纹形貌.热冲击实验结果表明,经受热冲击后合金的蠕变寿命下降,冲击次数越多则蠕变寿命降幅越大.显微组织观察表明,经过1100℃热冲击后,合金中的γ′粒子发生粗化,且粗化具有一定的方向性;同时,合金中MC碳化物分解为M_6C和γ′.γ′粒子粗化及其体积分数的减少是蠕变性能降低的主要原因.

铸造Ti-47Al-2Cr-2Nb合金中2β相的特征及对组织热稳定性的影响

研究了具有工业应用背景的铸造Ti-47Al-2Cr-2Nb合金中β2相的特征及其对组织热稳定性的影响。结果表明,该2β相为富Cr相,呈连续线状弥散分布于TiAl合金片层结构中,2β相与2α、γ相不存在严格的共格位向关系;经1 150℃/48 h时效处理后,片层组织首先在β2/(2α+γ)界面发生粗化分解,而在(α+γ)两相区加热处理中,α颗粒亦会在该界面位置优先析出长大,该2β相的引入不利于组织热稳定性。

基于磷光测温技术的智能热障涂层研究进展

获得缺乏的涡轮叶片涂层表面温度分布数据是当前航空发动机材料设计面临的关键问题,数据缺乏严重限制了中国先进飞行器的性能提升。热障涂层(涡轮叶片用)添加少量稀土发光元素后可成为一种新型智能材料——智能热障涂层(STBC),是目前实现发动机服役叶片涂层温度分布测定最有潜力的方法。本文详细介绍了智能热障涂层在线(热障传感涂层)/离线(热历史涂层)测温的原理和方法。基于不同智能涂层的制备工艺,阐述了近年来利用智能热障涂层技术对航空发动机热端部件的表面温度分布及界面温度梯度检测的研究进展。基于航空发动机不同热端部件的测温需求,总结了目前国内外智能热障涂层测温技术的实际工业应用。且基于现有稀土元素掺杂对热障涂层本征性能的影响,说明了智能热障涂层实际应用的可行性。最后指出了该技术实际应用于航空发动机热端部件测温仍需解决的问题,并对其发展方向进行展望。

654—2治疗过敏性紫癜效果分折

过敏性紫癜是由于某些过敏因素引起的变态反应性疾病,任何年龄均可发病,但以4岁以上的小儿多见。我院自1988年以来,共收治过敏性紫癜27例,应用654—2及地塞米松进行对比观察,结果654—2的疗效明显优于地塞米松,现报道如下。

涂层/高温合金界面行为及调控研究进展

防护涂层技术对于提高涡轮叶片材料抗氧化腐蚀性能、保证涡轮叶片安全服役具有至关重要的作用,然而,防护涂层与高温合金间有本征的物理、化学性能不匹配性,其界面反应会导致界面组织退化,合金与涂层性能下降,成为制约涂层应用的关键因素。本文概述了典型涂层/高温合金界面组织演变与扩散行为及其影响因素,讨论了界面行为对含涂层高温合金组织稳定性和力学性能的影响,从涂层组织成分优化、界面阻扩散层设计和新型界面稳定涂层研发3个方面介绍了涂层/合金界面的调控方法。总结了涂层/高温合金界面相容性的关键特征,并提出未来应在界面对涂层/合金性能的影响规律与机制、调控界面的多手段联用、计算辅助涂层设计等方面开展系统性研究。

CMAS熔体在不同热障涂层用材料表面的铺展和腐蚀行为

选取了5种热障涂层用陶瓷材料(Y_(2)O_(3)、La_(2)Ce_(2)O_(7)、Gd_(2)Zr_(2)O_(7)、Al_(2)O_(3)、12YSHf),对其进行了CMAS熔体铺展和腐蚀行为的分析,并与常用的陶瓷材料7YSZ进行了对比。研究表明,12YSHf和Al_(2)O_(3)在减缓CMAS熔体铺展方面具有较好的效果;Al_(2)O_(3)和La_(2)Ce_(2)O_(7)高温下与CMAS反应后界面层厚度较小,具有较好的抗CMAS腐蚀性能。综上,Al_(2)O_(3)在延缓CMAS熔体铺展和抗CMAS腐蚀方面的综合效果最为突出。

Ni_3Al基单晶合金IC21的微观组织及力学性能

针对高压涡轮导向叶片服役性能需求特点研发了一种低密度、低成本、高强度Ni3Al基单晶合金IC21.该合金的Re含量不大于1.5%,密度小于8.0 g/cm3.金相法测得合金的初熔温度约为1345℃.经过标准热处理后,IC21合金中γ'相分布均匀,体积分数为80%左右,尺寸约为420 nm,具有较高的γ'相立方化程度和排列有序度.IC21单晶合金在1100℃下抗拉强度为490 MPa,屈服强度为470 MPa,在1100℃,140 MPa条件下的持久寿命可达170.5 h,1150℃,100 MPa条件下的持久寿命可达110.0 h.IC21单晶合金具有良好的高温组织稳定性和较好的抗高温氧化性,1080℃长期热暴露后,没有拓扑密堆相析出,在1100和1150℃大气中100 h的氧化动力学曲线遵循抛物线规律,氧化增重速率分别为0.015和0.045 mg/(cm2·h).组织结构分析表明,该单晶合金的高温强度主要来源于高的γ'相含量、高的合金错配度和致密的界面位错网结构.γ'

型壳中央散热对DD6单晶高温合金凝固组织与持久性能的影响

以国内第2代单晶高温合金DD6为研究对象,研究了型壳中央散热对其凝固组织与持久性能的影响。结果表明,与合金中柱型壳相比,石墨中柱型壳能有效地改善单晶凝固过程中温度场的均匀性,提高温度梯度,有利于保持单晶凝固过程中热流方向的平直。因此,石墨中柱型壳有利于降低一次枝晶间距,细化γ-γ′共晶相,减少单晶生长方向与[001]方向的角度差,使单晶高温合金获得较高的持久寿命。

<111>取向小角偏离对一种镍基单晶高温合金蠕变性能的影响

采用籽晶法制备偏离<111>取向不同角度的镍基单晶高温合金试样。研究了合金在760℃、650MPa下小角偏离对蠕变性能的影响。结果表明,<111>取向附近合金的蠕变性能具有显著的小角偏离敏感性。偏离角度较小的<111>取向合金试样的蠕变寿命最长,蠕变过程中位错主要分布在γ通道内,随着取向偏离度增加,合金的蠕变寿命显著下降。且沿着[-111]-[011]边界偏离时蠕变寿命相对于沿着[-111]-[001]边界偏离下降更快。近<111>取向合金都表现出了较弱的加工硬化,但沿着[-111]-[001]边界偏离的样品,其初期蠕变速率相对较低,对应着较长的蠕变孕育期。进一步分析表明,[-111]-[011]边界对应着{111}<110>滑移系的共面双滑移取向,在蠕变初期就产生较高的蠕变速率,随着取向偏离度增加{111}<112>滑移系的Schmid因子迅速增加,蠕变寿命显著下降。而沿着[-111]-[001]边界偏离试样蠕变孕育期的产生则是由于占主导地位的滑移系数量下降且具有相对较低的{111}<110>滑移系Schmid因子,导致位错无法在γ通道内迅速增殖并分解产生<112>位错,延缓了初期蠕变阶段的产生。

大型科学装置在航空发动机高温结构材料和涂层上的研究与应用综述

航空发动机用热端部件及其防护涂层具有密度高、结构复杂、服役环境恶劣、承受载荷复杂等特点,采用传统的分析测试方法对其进行损伤演变、质量评估和寿命预测研究存在极大挑战,无法满足航空发动机更高温度、更高速度、更高可靠性的需求。大型科学装置中的同步辐射技术和中子衍射技术具有高穿透性、高精度、高耦合度和高通量等特点,较传统检测技术更适用于未来航空航天领域高温结构材料的研发和测试,但上述两种技术在中国相关领域的基础研究和工程应用方面仍需进一步开展工作。本文着重介绍近年来国内外采用同步辐射和中子衍射技术进行航空发动机热端部件及其防护涂层基础科学研究与实际工程应用方面的进展与现状。