與所有發電領域一樣，燃氣渦輪機高度依賴熱效率來有效發電。工業上有許多方法可以提高燃氣渦輪動力循環的熱效率。這些提高效率的方法幾乎總是受到渦輪機零件的冶金特性的限制。採用能夠承受更高工作溫度的零件，可以大幅提高燃氣渦輪機的熱效率。單晶高溫合金渦輪葉片的使用使得這一切成為可能。單晶渦輪葉片能夠在比晶體渦輪葉片更高的工作溫度下運行，因此能夠提高燃氣渦輪循環的熱效率。
瓦斯渦輪循環
燃氣渦輪發電廠由連接到壓縮機的渦輪機組成，其間有燃燒室。大氣被吸入壓縮機，隨後被壓縮並進入燃燒室。在燃燒室中，空氣與燃料混合並燃燒。這會增加空氣的溫度，同時保持恆定的壓力。空氣現在進入渦輪機，在那裡發生膨脹，同時產生有用的輸出功。入口空氣溫度越高，渦輪機產生的有用功就越多。[1]
提高效率
這種熱力學循環稱為布雷頓循環。W燃氣渦輪機的效率由下式給出
方程式 1：布雷頓循環的熱效率
方程式 1a：布雷頓循環的熱效率（以壓力比表示）
布雷頓循環通常以溫度熵圖或 TS 圖表示。這些圖表顯示了布雷頓循環每個點的空氣狀態。典型 TS 圖的範例如下圖 1 所示。
圖1：布雷頓循環TS圖
圖 1a：增加的壓力比
圖 1b：增加的最高溫度和壓力比
從圖1a所示的TS圖中可以看出，相對壓力比W的增加實際上會因為添加到系統的熱量減少而提高熱效率。這受到渦輪入口處出現的循環最高溫度的限制。隨著壓力比的增加，此限制導致循環的總功輸出減少。為了在增加的相對壓力比下產生相同量的輸出功，需要增加質量流量，這需要更大更昂貴的設備。[2]有許多應用需要較小的渦輪發動機，例如車輛。透過提高渦輪機入口處的空氣溫度，可以提高熱效率，同時還可以提高輸出功水準。[1]
在許多應用中，產生的淨功的減少是不可接受的。循環最高溫度的增加會增加效率和產生的淨功總量。溫度的升高還可以更大程度地提高壓力比，以進一步提高效率，同時保持高水準的淨功率輸出。如上圖 1b 所示。冶金特性限制了渦輪機入口溫度的運轉溫度。許多方法被用來讓渦輪葉片在更高的溫度條件下運作。由鎳基超合金製成的單晶渦輪葉片的開發可以實現更高的工作溫度。
優點
單晶渦輪葉片具有能夠在比晶體渦輪葉片高得多的溫度下運行的機械優勢。鑑於能夠在較高溫度下提高渦輪機效率，這些葉片的開發非常有益。由於鎳基高溫合金的單晶結構和成分，渦輪葉片能夠在如此高的溫度下運作。
蠕變W是渦輪葉片失效的常見原因，實際上也是壽命限制因素。[3]當高應力下的材料溫度升高到臨界點時，蠕變速率迅速增加。[4]由於不存在晶界，單晶結構比晶體渦輪葉片能夠在更高的溫度下承受蠕變。晶界是微觀結構的一個區域，許多缺陷和失效機制在此開始，導致蠕變發生。[5]缺乏這些晶界會抑制蠕變以這種方式發生。單晶渦輪葉片仍會發生蠕變，但由於較高溫度下發生的機制不同。單晶渦輪葉片不像晶體渦輪葉片那樣沿軸向應力方向具有晶界。這也有助於增加蠕變強度。
鎳基高溫合金
已經使用了幾種超級合金來嘗試製造能夠承受盡可能高的工作溫度的單晶渦輪葉片。這些超級合金通常是鎳基合金，並含有多種其他元素，這些元素都有助於優化高溫條件下渦輪葉片的機械性能。不斷測試添加的每種元素的成分，以實現這種優化。用於單晶渦輪葉片的高溫合金的一個例子是 CMSX6。此超合金的成分如下表所示。
在高溫合金的單晶內，存在兩相：伽馬基體和伽瑪沉澱物。高溫合金中伽瑪相的體積分數需要大於 50%，以提高抗蠕變性。[6]伽瑪相的存在透過防止位錯運動來增加渦輪葉片的機械強度。伽瑪相具有隨溫度升高而強度增加的不尋常特性。在高達攝氏 973 度的溫度下也是如此。[3]溫度升高導致的強度增加使得高溫合金能夠在更高的溫度下工作。
渦輪葉片中沒有晶界，因此可以使用高溫合金來減少通常用於強化晶界的元素（例如碳和硼）的存在。當這些元素存在於更重要的成分中時，會降低合金的蠕變強度和熔化溫度。不需要大量集中這些元素，單晶渦輪葉片就能夠保持其強度並在更高的溫度下使用。[7]
製造製程和晶體生長
實際中使用多種不同的製造方法來製造單晶渦輪葉片。製造方法均採用定向凝固或自主定向凝固的思想，即凝固方向受到控制。常見的方法是生長單晶的布里奇曼法。在該方法中，使用鑄造爐進行晶體生長。在此過程中，首先必須製作刀片的模具。將熔化的蠟注入所需渦輪葉片的金屬模具中，並使其凝固並形成渦輪葉片的形狀。然後使用蠟模型製作陶瓷模具，用於生產單晶渦輪葉片。製作陶瓷模具時，會加熱以提高模具的強度。[8]一旦模具足以使用，蠟就會從模具內部融化。現在模具中充滿了鎳基高溫合金的熔融形式。模具內所包含的熔融高溫合金被放置在某種類型的鑄造爐中，通常是採用布里奇曼技術的真空感應熔煉爐。
布里奇曼爐中的晶體生長
爐內設有由加熱器控制的高於熔化溫度的高溫區和熔化區以下的低溫區，並設有發生固液界面的梯度區。超級合金最初完全處於熔融狀態的高溫區域內。然後，超級合金以每小時約幾英寸的速度極其緩慢地下降，使得固液界面在模具中緩慢上升。高溫合金從底部向上凝固。緩慢的凝固速率導致晶粒沿著模具從熔爐中拉出的方向生長為枝晶W。[8]由於結構過冷的影響，枝晶僅在一個方向上形成柱狀。當固體開始形成時，在固液界面之前發現不同的溶質濃度。整個液體中溶質的變化導致平衡凝固溫度的變化。此時液體的溫度低於平衡凝固溫度，導致過冷效應。過冷導致熱量從固體突起轉移到液體，促進枝晶生長。[9]枝晶生長的速率與存在的過冷量有直接關係。以一定角度排列的樹突必須生長得更快，才能跟上更直接、垂直方向的樹突。為了更快地生長，需要更大的過冷度，這意味著這些有角度的枝晶會從固液界面向後生長。[8]最終，更有利的垂直樹突取代了更後面的有角度的樹突。為了去除渦輪葉片的晶界，將晶粒選擇器安裝在蠟模的底部。晶粒選擇器是一個螺旋形管，比單一枝晶晶粒大不了多少。當垂直枝晶在模具底部生長時，只有一個枝晶能夠穿過螺旋並最終進入渦輪葉片模具。因此，一旦凝固完成，渦輪葉片就完全由一個晶粒製成，並成為單晶渦輪葉片。
方法的改進
布里奇曼方法的問題在於需要複雜且昂貴的鑄造爐來生產所需的產品。另一種製造方法已經被創造出來，無需將樣品緩慢地從熔爐中拉出。這簡化並加快了流程，使其更具成本效益。由於凝固速度更快，導致樣品之間的偏析量減少，因此機械性能也得到改善。[10]該工藝使用由 Al 2 0 3陶瓷製成的模具，該模具上塗有一層可抑製成核發生的層。將樣品設定為受控加熱，並透過設置在樣品底部的水冷冷卻板使其始終處於熔融狀態。螺旋選粒器的使用方法與本方法相同。關閉加熱，當爐子冷卻時，凝固開始。模具層延遲成核的發生，直到產生大量的過冷。[10]此時，樣品底部開始成核，並以相同的方式形成枝晶。單一枝晶穿過晶粒選擇器，產生單晶渦輪葉片。可以改變底部的受控加熱和冷卻量以優化機械性能。[10]
參考
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- ↑跳轉至：3.0 3.1 卡特，TJ (2005)。燃氣渦輪葉片的常見故障。工程失效分析，12(2), 237-247。
- ^ 威廉·D·卡利斯特 (William D. Callister, J.) (2007)。材料科學與工程導論.美國：John Wiley & Sons, Inc.
- ^ 李·S·蘭斯頓. （2006）。皇冠上的寶石。美國機械工程師學會，摘自http://web.archive.org/web/20100705051223/http://www.memagazine.org/backissues/membersonly/feb06/features/crjewels/crjewels.html
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- ^ 日野竹久（相模原，JP） 小泉豐（龍崎，日本） 小林俊晴（龍崎，日本） 中澤靜夫（杉併區，JP） 原田宏（筑波，日本） 石渡豐（逗子，JP） ）Yoshioka , Yomei（日本橫濱）。鎳基單晶高溫合金、其製造方法以及由其製成的燃氣渦輪機高溫部件 - 專利 6673308，2009 年 2009 年 11 月 13 日檢索，來自http://www.freepatentsonline.com/6673308.html。
- ↑跳轉至：8.0 8.1 8.2 哈。奧尼斯科」、「K.庫比亞克」，「J.西尼亞夫斯基'。 （2009）。單晶鎳基 CMSX-6 高溫合金渦輪葉片。 《材料與製造工程成就期刊》，32(1) 摘自 www.journalamme.org/papers_vol32_1/32110.pdf
- ^ 「大衛·A·波特」、「肯尼思·E·伊斯特林」、「穆罕默德·Y·謝里夫」。 （2009）。金屬和合金的相變。美國：Taylor & Francis Group, LLC。
- ↑跳轉至：10.0 10.1 10.2 Ludwig, A.、Wagner, I.、Laakmann, J. 與 Sahm, PR (1994)。高溫合金熔體過冷：單晶渦輪葉片新製造技術的基礎。材料科學與工程：A，178（1-2），299-303。