Dans les turbines à gaz, coulée en acier en alliage à haute température est l'une des technologies de base pour la fabrication de lames de turbine et des composants de la chambre de combustion. Ces composants doivent résister à des conditions de travail extrêmes, y compris une température élevée, une haute pression, des gaz corrosifs et une contrainte mécanique.
Application de lames de turbine
Environnement de travail et exigences de performance
Les lames de turbine sont l'un des composants les plus critiques des turbines à gaz, directement exposés à un débit de gaz à haute température, et la température peut atteindre 1000 ° C ou plus.
Les pièces moulées en acier en alliage à haute température doivent avoir les propriétés suivantes:
Résistance à haute température: capacité à maintenir la résistance et la stabilité dans un environnement à haute température pendant une longue période.
Résistance au fluage: prévenir la déformation plastique dans des conditions de température élevée et de contrainte élevée.
Résistance à l'oxydation: Résistez à l'oxydation à haute température et évitez la formation d'une couche d'oxyde fragile à la surface.
Résistance à la fatigue thermique: faire face aux cycles de démarrage fréquents et aux fluctuations de la température.
Sélection des matériaux
Alliage à haute température à base de nickel:
Le matériau le plus utilisé avec une excellente résistance à haute température, une résistance à l'oxydation et une résistance au fluage.
Les notes communes incluent Inconel 718, Inconel 625, CMSX-4, etc.
Superalliages à base de cobalt:
Il a une résistance à l'oxydation plus élevée et une résistance à la corrosion et convient à une utilisation dans des environnements extrêmement corrosifs.
Les notes communes comprennent Haynes 188, MAR-M 509, etc.
Superalliages à base de fer:
Il a un coût plus faible, mais sa résistance à la température est légèrement inférieure à celle des alliages à base de nickel et à base de cobalt, et convient aux zones de température moyenne.
Procédé de casting
Casting d'investissement
La coulée d'investissement est le principal processus de fabrication de lames de turbine, qui peuvent obtenir des formes complexes et une haute précision.
À l'aide de moules en céramique, les lames sans défaut sont produites par la coulée d'investissement.
Les canaux de refroidissement internes (tels que les lames creuses) peuvent être fabriqués pour améliorer l'efficacité de la dissipation thermique.
Socidification directionnelle (DS)
En contrôlant la direction de solidification, les grains se développent dans une direction spécifique, réduisant le nombre de joints de grains et améliorant ainsi la résistance au fluage.
Coulée monocusstal (SC)
Les lames monocristallines n'ont pas de limites de grains, ont une résistance plus élevée à haute température et une résistance au fluage et sont le premier choix pour les lames de turbine haut de gamme.
Traitement de surface
Technologie du revêtement:
Le revêtement de barrière thermique (TBC): les matériaux en céramique (tels que l'oxyde de zirconium) sont enduits à la surface de la lame pour réduire la température du substrat et prolonger la durée de vie.
Revêtement anti-oxydation: tel que le revêtement en aluminide ou le revêtement de mcraly (chrome métallique en aluminium yttrium) pour améliorer la capacité anti-oxydation.
Conception de refroidissement:
La température de surface de la lame est réduite par les canaux de refroidissement internes et la technologie de refroidissement du film d'air externe.
Application des composants de la chambre de combustion
Environnement de travail et exigences de performance
Les composants de la chambre de combustion sont directement en contact avec des gaz de combustion à haute température et sont soumis à des milieux à haute pression et corrosifs (tels que les sulfures et les oxydes d'azote).
Les principales exigences de performance comprennent:
Résistance à haute température: capable de résister à des températures de combustion supérieures à 1500 ° C.
Résistance à la corrosion: résister à l'érosion par les produits de combustion.
Stabilité structurelle: maintient la forme géométrique inchangée sous une température élevée et une haute pression.
Sélection des matériaux
Alliage à haute température à base de nickel: largement utilisé dans les composants de la chambre de combustion, avec une excellente résistance à haute température et des propriétés anti-oxydation.
Les notes communes incluent Inconel 617, Hastelloy X, etc.
Alloys à haute température à base de cobalt:
Utilisé dans les zones à haute température dans les chambres de combustion, avec une meilleure résistance à la corrosion.
Procédé de casting
Coulage de précision:
Utilisé pour fabriquer des revêtements de chambre de combustion complexes, des tubes de flamme et d'autres composants.
En optimisant le processus de coulée, l'épaisseur de la paroi des composants est assurée comme uniforme et la concentration de contrainte thermique est réduite.
Soudage et assemblage:
Pour les grandes composantes de la chambre de combustion, la coulée et le soudage segmentés sont généralement adoptés.
Traitement de surface
Revêtement de barrière thermique (TBC):
Le revêtement en céramique est appliqué à la paroi intérieure de la chambre de combustion pour réduire la température du substrat et améliorer la résistance à la chaleur.
Revêtement anti-oxydation:
Améliorez la résistance à l'oxydation des composants de la chambre de combustion et prolongez la durée de vie.
Conception de refroidissement:
Les composants de la chambre de combustion sont généralement conçus avec des structures de refroidissement poreuses pour réduire la température grâce au refroidissement du film et au refroidissement par convection.
Avantages de la coulée en acier en alliage à haute température
Capacité de fabrication de formes complexes
La coulée en acier en alliage à haute température peut produire des géométries complexes, telles que les structures creuses et les canaux de refroidissement des lames de turbine.
Cette capacité est essentielle pour optimiser les performances des composants (comme l'amélioration de l'efficacité de refroidissement).
Applicabilité des matériaux à haute performance
L'acier en alliage à haute température a une excellente résistance à haute température, une résistance à l'oxydation et une résistance au fluage, qui peuvent répondre aux besoins des conditions de travail extrêmes des turbines à gaz.
Longue durée de vie et de fiabilité
Grâce à des processus avancés de coulée et à des technologies de traitement de surface, les moulages en acier en alliage à haute température peuvent fonctionner de manière stable et pendant une longue période dans des environnements à haute température, à haute pression et corrosifs.
L'application de la coulée en acier en alliage à haute température dans des turbines à gaz se reflète principalement dans la fabrication de lames de turbine et des composants de la chambre de combustion. Ces technologies répondent non seulement aux besoins des conditions de travail extrêmes des turbines à gaz, mais favorisent également les progrès technologiques dans les domaines de l'aérospatiale et de l'énergie.
