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高温用新型铌基合金 1Ryohei Tanaka, 1,2Akio Kasama, 3Masakuni Fujikura, 1Isao Iwanaga, 1 1 Hisao Tanaka and Yoshikazu Matsumura 1 Japan Ultra-high Temperature Materials Research Institute (JUTEMI) ，573-3 Okiube, Ube,Yamaguchi, Japan Phone:+81-836-51-7007, Fax:+81-836-51-7011, E-mail:tryohei@jutem.co.jp 2 Present Address:Kurume Technical Colledge 3 Gifu Institute, JUTEMI 摘要 铌基合金可以做为一种超高温合金使用，它具有高熔点、良好的室温韧性以及较低的 密度。利用铌的这些优点，人们开发了一系列铌基合金，用于汽轮机的受热部件。通过加入 Mo,W,Si,Hf 和C 等合金元素，铌基合金通过固溶和弥散强化机制进行强化。最典型的铌基 合金成分为：Nb-16Si-5Mo-15W-5Hf-5C(at%) 。它在 1500℃，150MPa 条件下的蠕变断裂寿 命超过 100h。在诸如1500℃高温下使之具有足够的抗氧化及抗腐蚀能力的研究目前正在进 行。 关键词：气轮机，难熔金属，铌基合金，高温强度，阻止扩散涂层 1 引言 最近，考虑到全球气候变暖，人们对提高燃煤电站的效率问题日益重视，尤其在日本， 这点更加突出。在日本，由于发电排放的二氧化碳量占到总的排放量的三分之一，超过 98 ％的排放是由热电厂产生的。 众所周知，热电厂的热效率随运行温度的提高而提高。目前，效率最高的热电厂是装备 了组合循环系统即蒸汽轮机和气轮机的厂子。在这种系统中，整体热效率主要由气轮机的汽 轮机入口温度（TIT ）控制。为了增加TIT，就需要提高一系列高温材料的使用温度。目前 应用最广泛的高温材料是镍基合金，由于合金设计和工艺技术的进步，镍基合金具有优良的 高温性能。报道称：TMS-162——一种必威体育精装版的根据单向凝固技术开发的单晶合金，以137MPa －1000h 蠕变断裂寿命标准衡量，其使用温度可以达到 1100 ℃[1，2] 。然而，镍基合金的实 际使用温度受到限制：其熔点低于 1400℃。因此，按照目前的趋势来看，气轮机的TIT 在 不断提高，正在逼近 1500℃，这样，对于镍基合金部件，如燃烧器、叶片等，冷却系统是 必不可少的。但是，强化部件的冷却能力会制约热效率的提高。 由于这些原因，急需开发新型结构材料以用于超过传统的镍基合金使用温度场合。在这 种形势下，不断有关于铌基难熔材料的研究[3－14]。由于铌基合金具有高熔点和相对较低 的密度，它们有望应用于高于镍基材料使用温度的超高温场合。然而，在高温下，强度急剧 下降并且抗氧化性能较差是铌基合金的缺点。 从1996年，日本超高温材料研究所开始研制气轮机受热部件用铌基合金。考虑到其应用 场合，制定了下述性能目标： 1500 °C时的比强度（应力/密度）：大于50 MPa/g.cm-3 1. 假设合金密度为9.0 g.cm-3 ，50MPa/ g.cm-3 的比强度就相当于450 MPa 的净标准应力。 2. 1500 °C -100 h 时的蠕变断裂强度：大于150 MPa 3. 抗氧化性能（1500°C暴露10000 h的腐蚀损失）：小于250 µm 1/2 室温断裂韧性为：不远小于10 Mpa.m 。 首先，新型铌基合金的开发着重于通过固溶强化和弥散强化提高其高温强度[15-24],随 后通过”原位复合”措施提高高温强度[20,25-39], 最后争取达到更高的使用温度,如15