2024年3月29日发(作者：夏侯妍丽)
重型燃气轮机透平叶片用单晶合金发展趋势
彭建强; 吕振家; 张宏涛; 李毅刚; 闫红博
【期刊名称】《《热力透平》》
【年(卷),期】2019(048)004
【总页数】5页(P299-303)
【关键词】单晶合金; 重型燃气轮机; 透平叶片; Re; 化学成分
【作 者】彭建强; 吕振家; 张宏涛; 李毅刚; 闫红博
【作者单位】哈尔滨汽轮机机厂有限责任公司 哈尔滨150046; 黑龙江科技大学 哈
尔滨150022
【正文语种】中 文
【中图分类】TK475
西门子公司和GE公司的H级重型燃气轮机已经广泛投入商业运行，日本三菱日
立公司的J级1 600 ℃等级燃气轮机也已经投入运行，该公司正在研发1 700 ℃
等级的重型燃气轮机[1-3]。随着燃气轮机进气参数的提高，透平叶片的工作温度
也不断提高。工业燃气轮机透平叶片材料经历了变形高温合金到等轴铸造合金、定
向铸造合金、单晶铸造合金的发展历程。目前，国外H级重型燃气轮机透平叶片
已经采用第2代单晶合金。
本文在介绍国外F级及以上等级重型燃气轮机透平叶片用材和国内外单晶合金研
发和应用情况的基础上，分析了单晶合金化学成分的特点和成分设计应该考虑的因
素，结合国内外低Re单晶合金的研发和应用情况，指出使用低Re单晶合金是重
型燃气轮机透平叶片用材的发展趋势，并给出国内重型燃气轮机透平叶片用低Re
合金的研发建议。
1 重型燃气轮机透平叶片用材情况
表1是世界主要燃气轮机制造商生产的F级及以上机组的透平叶片用材情况。
从表1可以看出:
1)GE公司FB级燃气轮机透平第1级动叶已经采用第2代单晶合金制造，而第
2～3级动叶采用定向铸造合金制造；
2)西门子公司的F级燃气轮机透平第1、2级动导叶均采用第1代单晶合金制造，
第3、4级动导叶采用传统等轴合金制造；
表1 世界上F级及以上重型燃气轮机透平叶片用材情况[4-5]制造商机型导叶用材
动叶用材GE7/9FBGTD 111(R1,2)GTD 222(R3)SC N5(R1)DS GTD
444(R2,3)7HSC Rene N5(R1)DS GTD 222(R2)Rene 108(R3)GTD-222(R4)SC
Rene N5(R1)DS GTD-111(R2)DS GTD- 444(R3,4)西门子V94.3ASC
PWA1483(R1,2)IN939(R3,4)SC PWA1483(R1,2)IN738(R3,4)三菱701F3MGA
2400(R1-3)X45(R4)DS MGA 1400(R1)CC MGA 1400(R2-
4)501/701G/G2MGA2400(R1-4)DS
MGA1400(R1,2)MGA1400(R3,4)501JDSMGA2400(R1-2)MGA2400(R3-4)DS
MGA1400(R1-3)MGA1400(R4)
3)三菱公司F3级及以上等级燃气轮机透平前几级动叶和J级前2级导叶采用定向
铸造合金制造，其他级动叶和导叶均采用传统等轴合金制造，这主要因为其动导叶
片设计采用了更加先进的冷却结构和涂层技术。
表2是重型燃气轮机透平叶片用典型合金的化学成分。
表2 重型燃气轮机透平叶片用典型合金的化学成分(质量分数%)[6-9]合金
CrCoMoWAlTiTaNbReFeHfCBZrNiMGA140014101.54.342.74.7-------基
MGA24001919-61.93.71.41------基IN73816.08.51.72.63.43.41.7----
0.170.010.1基IN738LC16.08.51.752.63.43.41.750.9---0.110.010.04基
IN79212.49.21.93.93.53.94.2----0.070.0160.018基IN93922.419.0-2.01.93.7-
1.0---0.150.0090.10基Mar-M2478.010.00.610.05.51.03.0---
1.50.150.0150.03基CM247LC8.09.30.59.55.60.73.2---1.40.070.0150.010基
PWA148312.29.21.93.83.64.25.0----0.07--基Rene8014.09.04.04.03.04.7----
0.80.160.0150.01基Rene N49.08.02.06.03.74.24.00.5------基Rene
N57.08.02.05.06.2-7.0-3.0-0.2---基GTD11114.09.51.53.83.05.03.150.07---
0.100.0140.007基DSGTD111149.51.53.834.92.8----0.10.01-基
GTD22222.519.1-2.01.22.30.940.8---0.080.0040.02基
DSGTD4449.781.564.23.54.70.5--0.15---基
从表2可以看出，这些合金主要分为三类：
1)单晶合金，包括第1代单晶合金PWA1483等；
2)定向铸造合金，包括第1代定向合金DSMGA1400、DSGTD111、DSGTD444
等；
3)传统等轴合金，如MGA1400、IN738、IN939、GTD111、GTD222等。
2 单晶合金
2.1 国内外单晶合金的研发和应用情况
自20世纪80 年代第1代单晶高温合金(PWA1480 等)成功应用于F100 航空发动
机至今，单晶合金已经发展到第5代。目前，国外航空发动机已经应用第3代单
晶合金。重型燃气轮机透平叶片也已经应用第2代单晶合金(见表1)。国内的航空
发动机已经应用第2代单晶合金，比如自主研发的DD406合金。国内第3代单晶
高温合金正处于材料研究阶段，第4代单晶合金的研制尚处于探索阶段。
2.2 单晶合金化学成分的特点
单晶合金主要合金元素随各代铸造合金发展的变化情况如图1所示。
图1 单晶合金主要合金元素随各代铸造合金发展的变化情况[6]
从图1可以看出：
1)Cr质量分数呈显著下降趋势，Al质量分数呈显著上升趋势；
2)Co质量分数先降后升，第3代和第4代单晶合金保持在10%左右；
3)Ta和W的质量分数呈先增加，再减少，再增加的趋势；
4)传统铸造合金中不含Re元素，在第1～3代单晶合金中Re质量分数呈上升趋
势，在第4代单晶合金中Re质量分数呈下降趋势；
5)在第3代合金前，合金中均不含有Ru元素，第3代和4代单晶合金中添加Ru，
且质量分数呈上升趋势；
6)Mo质量分数在传统铸造合金中呈下降趋势，在第1代单晶合金中陡降至1%以
下，之后呈缓慢上升趋势，保持在2%左右；
7)Ti质量分数在传统合金中呈增加趋势，在第1代单晶合金后先是缓慢降低，之
后陡降至1%以下，在第2代单晶合金之后逐渐消失。
2.3 单晶合金化学成分变化分析
单晶合金蠕变强度的提高主要得益于γ＇强化相质量分数的提高，而要提高γ＇相
的质量分数，必须提高γ＇相形成元素Al的质量分数；而Cr是γ＇相形成元素，
所以其质量分数会显著降低。需要注意的是这种变化会导致抗氧化性能的变化，因
为在未涂涂层的情况下，大多数的现代合金在氧化条件下首先倾向于形成Al2O3，
而非Cr2O3。因此，对于Al质量分数不断增加的单晶合金叶片，必须采用必要的
抗氧化涂层防护措施。
普遍认为，Co元素能够通过固溶强化作用提高合金的蠕变持久性能，但是对于
Co元素在单晶合金中的强化机理尚未形成统一的定论，因此，其质量分数的波动
较大。
Ta和W均属于难熔金属，主要通过固溶强化作用提高合金的蠕变持久强度，因此
在传统铸造合金中Ta和W的质量分数呈上升趋势。但是在第1～3代合金中，Ta
和W质量分数呈下降趋势，因为强化效果更好的Re元素质量分数在增加；同样，
在第4代合金中Ta和W质量分数呈上升趋势，因为Re质量分数呈下降趋势。
Mo具有很好的固溶强化作用，也可以提高合金的蠕变持久强度，但与Ta、W、
Re等难熔合金相比，Mo的强化效果要差得多。而过多的Mo、Ta、W、Re等元
素会促进有害的拓扑密排(TCP)相析出，显著降低合金的蠕变持久性能，如图2所
示。因此，在含有较多Ta、W、Re等元素的单晶合金中，Mo的质量分数较低，
基本维持在2%左右。
Re可以显著提高单晶的蠕变持久强度，具有“Re效应”，单晶合金中均添加Re
元素，第3代单晶中Re元素更是高达6%左右。在第1～3代合金中，Re元素的
质量分数呈上升趋势，因为Ta和W质量分数呈下降趋势；而在第4代合金中Re
质量分数呈下降趋势，因为Ta和W质量分数呈上
(a)蠕变曲线(1 093 ℃，103 MPa)
(b)持久曲线(1 093 ℃)图2 TCP相对第3代和第4代单晶合金蠕变持久性能的影
响[6]
升趋势。Re元素质量分数过高，会使合金的组织变得不稳定，容易产生有害的
TCP相。这些TCP相在铝化物涂层下的二次反应区(SRZs)、富Re的枝晶区域(铸
造微观偏析区域)和小角度边界区域形成。另外，添加Re元素还有两个不利影响：
一是价格昂贵，增加了机组成本；二是密度大，提高了轮盘轮缘应力水平。
第4代的单晶合金中添加了Ru，同时降低了Re的质量分数。Re质量分数4.5%
和Ru质量分数4%是第4代单晶合金的典型特征。对于第4代单晶合金的主要研
究工作都是在近10年内开展的，尤其是对Ru在镍基合金中的强化作用。研究发
现，Ru 能够抑制单晶高温合金中TCP相的析出，进而可以对高温合金产生稳定化
的作用。但是，对于Re元素的作用机制研究还很不充分，许多观点仍存在争议
[10-11]。添加Ru元素的不利因素同样是价格昂贵。
Ti会加速合金的氧化率，还会降低叶片表面热障涂层的结合力。单晶合金叶片的
工作温度非常高，且单晶叶合金片必须使用热障涂层，所以第2代单晶合金及其
之后的单晶合金几乎不含Ti。
2.4 单晶合金成分设计要求
单晶合金的设计需要兼顾高温强度、组织稳定性、抗氧化腐蚀性能、铸造工艺性能、
涂层兼容性能、密度等各种应用性能要求，因此，下一代单晶合金的设计空间越来
越小。这就要求针对具体应用情况优先保证几种性能要求。比如，对于重型燃气轮
机透平叶片用单晶合金而言，其尺寸大、运行环境恶劣、寿命需求长等特点决定了
设计必须首先保证合金具有优异的抗腐蚀性能、铸造工艺性能、组织稳定性以及较
低的成本。
2.5 低Re单晶合金的发展
如上所述，虽然Re能够显著提高单晶合金的蠕变持久性能，具有“Re效应”，
但是高Re单晶合金存在组织不稳定、密度大、价格昂贵等缺点。特别是对于寿命
要求长的重型燃气轮机而言，这些缺点都是致命的。因此，国内外都在研发低Re
或无Re单晶合金。
2.5.1 日本的情况
日本国立材料科学研究所(NIMS)通过改变 W、Ta 质量分数，以提高Mo+W+Ta
质量分数，由此有效提高γ＇体积分数、基体固溶强化能力等，最终提升材料蠕变
持久强度。该研究所设计出了Re质量分数只有2.4%的TMS-82+合金，其使用温
度超过第2代单晶合金[9]。
为了解决1 700 ℃等级燃气轮机透平叶片用材问题，日本三菱公司与NIMS合作
研发了一种新型无Re单晶合金MGA1700。该合金的蠕变强度和热疲劳强度如图
3所示。可以看出，MGA1700的蠕变强度与现有第3代合金TMS-75相当，热
疲劳强度优于现有第2代单晶CMSX-4、TMS-82+和第3代合金TMS-75。
图3 MAG1700合金蠕变强度和热疲劳强度与现有合金的比较[3]
2.5.2 美国的情况
美国GE公司的F级和H级重型燃气轮机透平叶片已经使用第2代单晶合金Rene
N5。但是由于Rene N5含有约5%的Re元素，这大大增加了机组的制造成本，
从而降低了市场竞争力。因此，GE公司在Rene N5 基础上通过调整W、Mo、
Re 和 Cr 等元素的质量分数，获得一种低Re合金Rene N515，该合金的Re质
量分数降低到 1.5%。同时，GE公司还简化了合金的热处理工艺。Rene N515的
蠕变持久强度和抗氧化性能与Rene N5相当，如图4和图5所示。Rene N515
合金正在CFM56喷气发动机中得到应用。GE公司还在研发无Re的单晶合金
Rene 500。
图4 Rene N5和Rene N515合金的蠕变持久强度比较[12]
图5 Rene N5和Rene N515合金的抗氧化性能比较[12]
2.5.3 中国的情况
我国已经成功研制出低Re单晶合金DD406。与传统的等轴合金、定向铸造合金
和已成功应用的第2代CMSX-4单晶合金相比，DD406合金具有更好的高温综
合性能，已成为国内某型先进航空发动机涡轮转子叶片的主要材料[13]。DD406
合金化学成分如表3所示。与Rene5相比，DD406合金降低了Cr质量分数，提
高了W、Ta、Co等元素的质量分数。
表3 DD406镍基单晶合金化学成分(质量分数%)[13]CCrCoW0.001～
0.0403.80～4.808.50～9.507.00～9.00MoAlNbTa1.50～2.505.20～
6.20≤1.206.00～8.50ReHfNi1.60～2.400.05～0.15余
3 结 论
高Re单晶合金带来的成本高、组织稳定性差等缺点，决定了其不适合制造重型燃
气轮机透平叶片。因此，使用低Re或无Re单晶合金是重型燃气轮机透平叶片用
材的发展趋势。对于国内重型燃气轮机透平叶片用低Re或无Re单晶合金的研发，
应在充分研究航空发动机叶片用单晶合金(比如DD406)的基础上，重点解决铸造
工艺性能、组织稳定性、抗热腐蚀性等问题。
参考文献：
【相关文献】
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2024年3月29日发(作者：夏侯妍丽)
重型燃气轮机透平叶片用单晶合金发展趋势
彭建强; 吕振家; 张宏涛; 李毅刚; 闫红博
【期刊名称】《《热力透平》》
【年(卷),期】2019(048)004
【总页数】5页(P299-303)
【关键词】单晶合金; 重型燃气轮机; 透平叶片; Re; 化学成分
【作 者】彭建强; 吕振家; 张宏涛; 李毅刚; 闫红博
【作者单位】哈尔滨汽轮机机厂有限责任公司 哈尔滨150046; 黑龙江科技大学 哈
尔滨150022
【正文语种】中 文
【中图分类】TK475
西门子公司和GE公司的H级重型燃气轮机已经广泛投入商业运行，日本三菱日
立公司的J级1 600 ℃等级燃气轮机也已经投入运行，该公司正在研发1 700 ℃
等级的重型燃气轮机[1-3]。随着燃气轮机进气参数的提高，透平叶片的工作温度
也不断提高。工业燃气轮机透平叶片材料经历了变形高温合金到等轴铸造合金、定
向铸造合金、单晶铸造合金的发展历程。目前，国外H级重型燃气轮机透平叶片
已经采用第2代单晶合金。
本文在介绍国外F级及以上等级重型燃气轮机透平叶片用材和国内外单晶合金研
发和应用情况的基础上，分析了单晶合金化学成分的特点和成分设计应该考虑的因
素，结合国内外低Re单晶合金的研发和应用情况，指出使用低Re单晶合金是重
型燃气轮机透平叶片用材的发展趋势，并给出国内重型燃气轮机透平叶片用低Re
合金的研发建议。
1 重型燃气轮机透平叶片用材情况
表1是世界主要燃气轮机制造商生产的F级及以上机组的透平叶片用材情况。
从表1可以看出:
1)GE公司FB级燃气轮机透平第1级动叶已经采用第2代单晶合金制造，而第
2～3级动叶采用定向铸造合金制造；
2)西门子公司的F级燃气轮机透平第1、2级动导叶均采用第1代单晶合金制造，
第3、4级动导叶采用传统等轴合金制造；
表1 世界上F级及以上重型燃气轮机透平叶片用材情况[4-5]制造商机型导叶用材
动叶用材GE7/9FBGTD 111(R1,2)GTD 222(R3)SC N5(R1)DS GTD
444(R2,3)7HSC Rene N5(R1)DS GTD 222(R2)Rene 108(R3)GTD-222(R4)SC
Rene N5(R1)DS GTD-111(R2)DS GTD- 444(R3,4)西门子V94.3ASC
PWA1483(R1,2)IN939(R3,4)SC PWA1483(R1,2)IN738(R3,4)三菱701F3MGA
2400(R1-3)X45(R4)DS MGA 1400(R1)CC MGA 1400(R2-
4)501/701G/G2MGA2400(R1-4)DS
MGA1400(R1,2)MGA1400(R3,4)501JDSMGA2400(R1-2)MGA2400(R3-4)DS
MGA1400(R1-3)MGA1400(R4)
3)三菱公司F3级及以上等级燃气轮机透平前几级动叶和J级前2级导叶采用定向
铸造合金制造，其他级动叶和导叶均采用传统等轴合金制造，这主要因为其动导叶
片设计采用了更加先进的冷却结构和涂层技术。
表2是重型燃气轮机透平叶片用典型合金的化学成分。
表2 重型燃气轮机透平叶片用典型合金的化学成分(质量分数%)[6-9]合金
CrCoMoWAlTiTaNbReFeHfCBZrNiMGA140014101.54.342.74.7-------基
MGA24001919-61.93.71.41------基IN73816.08.51.72.63.43.41.7----
0.170.010.1基IN738LC16.08.51.752.63.43.41.750.9---0.110.010.04基
IN79212.49.21.93.93.53.94.2----0.070.0160.018基IN93922.419.0-2.01.93.7-
1.0---0.150.0090.10基Mar-M2478.010.00.610.05.51.03.0---
1.50.150.0150.03基CM247LC8.09.30.59.55.60.73.2---1.40.070.0150.010基
PWA148312.29.21.93.83.64.25.0----0.07--基Rene8014.09.04.04.03.04.7----
0.80.160.0150.01基Rene N49.08.02.06.03.74.24.00.5------基Rene
N57.08.02.05.06.2-7.0-3.0-0.2---基GTD11114.09.51.53.83.05.03.150.07---
0.100.0140.007基DSGTD111149.51.53.834.92.8----0.10.01-基
GTD22222.519.1-2.01.22.30.940.8---0.080.0040.02基
DSGTD4449.781.564.23.54.70.5--0.15---基
从表2可以看出，这些合金主要分为三类：
1)单晶合金，包括第1代单晶合金PWA1483等；
2)定向铸造合金，包括第1代定向合金DSMGA1400、DSGTD111、DSGTD444
等；
3)传统等轴合金，如MGA1400、IN738、IN939、GTD111、GTD222等。
2 单晶合金
2.1 国内外单晶合金的研发和应用情况
自20世纪80 年代第1代单晶高温合金(PWA1480 等)成功应用于F100 航空发动
机至今，单晶合金已经发展到第5代。目前，国外航空发动机已经应用第3代单
晶合金。重型燃气轮机透平叶片也已经应用第2代单晶合金(见表1)。国内的航空
发动机已经应用第2代单晶合金，比如自主研发的DD406合金。国内第3代单晶
高温合金正处于材料研究阶段，第4代单晶合金的研制尚处于探索阶段。
2.2 单晶合金化学成分的特点
单晶合金主要合金元素随各代铸造合金发展的变化情况如图1所示。
图1 单晶合金主要合金元素随各代铸造合金发展的变化情况[6]
从图1可以看出：
1)Cr质量分数呈显著下降趋势，Al质量分数呈显著上升趋势；
2)Co质量分数先降后升，第3代和第4代单晶合金保持在10%左右；
3)Ta和W的质量分数呈先增加，再减少，再增加的趋势；
4)传统铸造合金中不含Re元素，在第1～3代单晶合金中Re质量分数呈上升趋
势，在第4代单晶合金中Re质量分数呈下降趋势；
5)在第3代合金前，合金中均不含有Ru元素，第3代和4代单晶合金中添加Ru，
且质量分数呈上升趋势；
6)Mo质量分数在传统铸造合金中呈下降趋势，在第1代单晶合金中陡降至1%以
下，之后呈缓慢上升趋势，保持在2%左右；
7)Ti质量分数在传统合金中呈增加趋势，在第1代单晶合金后先是缓慢降低，之
后陡降至1%以下，在第2代单晶合金之后逐渐消失。
2.3 单晶合金化学成分变化分析
单晶合金蠕变强度的提高主要得益于γ＇强化相质量分数的提高，而要提高γ＇相
的质量分数，必须提高γ＇相形成元素Al的质量分数；而Cr是γ＇相形成元素，
所以其质量分数会显著降低。需要注意的是这种变化会导致抗氧化性能的变化，因
为在未涂涂层的情况下，大多数的现代合金在氧化条件下首先倾向于形成Al2O3，
而非Cr2O3。因此，对于Al质量分数不断增加的单晶合金叶片，必须采用必要的
抗氧化涂层防护措施。
普遍认为，Co元素能够通过固溶强化作用提高合金的蠕变持久性能，但是对于
Co元素在单晶合金中的强化机理尚未形成统一的定论，因此，其质量分数的波动
较大。
Ta和W均属于难熔金属，主要通过固溶强化作用提高合金的蠕变持久强度，因此
在传统铸造合金中Ta和W的质量分数呈上升趋势。但是在第1～3代合金中，Ta
和W质量分数呈下降趋势，因为强化效果更好的Re元素质量分数在增加；同样，
在第4代合金中Ta和W质量分数呈上升趋势，因为Re质量分数呈下降趋势。
Mo具有很好的固溶强化作用，也可以提高合金的蠕变持久强度，但与Ta、W、
Re等难熔合金相比，Mo的强化效果要差得多。而过多的Mo、Ta、W、Re等元
素会促进有害的拓扑密排(TCP)相析出，显著降低合金的蠕变持久性能，如图2所
示。因此，在含有较多Ta、W、Re等元素的单晶合金中，Mo的质量分数较低，
基本维持在2%左右。
Re可以显著提高单晶的蠕变持久强度，具有“Re效应”，单晶合金中均添加Re
元素，第3代单晶中Re元素更是高达6%左右。在第1～3代合金中，Re元素的
质量分数呈上升趋势，因为Ta和W质量分数呈下降趋势；而在第4代合金中Re
质量分数呈下降趋势，因为Ta和W质量分数呈上
(a)蠕变曲线(1 093 ℃，103 MPa)
(b)持久曲线(1 093 ℃)图2 TCP相对第3代和第4代单晶合金蠕变持久性能的影
响[6]
升趋势。Re元素质量分数过高，会使合金的组织变得不稳定，容易产生有害的
TCP相。这些TCP相在铝化物涂层下的二次反应区(SRZs)、富Re的枝晶区域(铸
造微观偏析区域)和小角度边界区域形成。另外，添加Re元素还有两个不利影响：
一是价格昂贵，增加了机组成本；二是密度大，提高了轮盘轮缘应力水平。
第4代的单晶合金中添加了Ru，同时降低了Re的质量分数。Re质量分数4.5%
和Ru质量分数4%是第4代单晶合金的典型特征。对于第4代单晶合金的主要研
究工作都是在近10年内开展的，尤其是对Ru在镍基合金中的强化作用。研究发
现，Ru 能够抑制单晶高温合金中TCP相的析出，进而可以对高温合金产生稳定化
的作用。但是，对于Re元素的作用机制研究还很不充分，许多观点仍存在争议
[10-11]。添加Ru元素的不利因素同样是价格昂贵。
Ti会加速合金的氧化率，还会降低叶片表面热障涂层的结合力。单晶合金叶片的
工作温度非常高，且单晶叶合金片必须使用热障涂层，所以第2代单晶合金及其
之后的单晶合金几乎不含Ti。
2.4 单晶合金成分设计要求
单晶合金的设计需要兼顾高温强度、组织稳定性、抗氧化腐蚀性能、铸造工艺性能、
涂层兼容性能、密度等各种应用性能要求，因此，下一代单晶合金的设计空间越来
越小。这就要求针对具体应用情况优先保证几种性能要求。比如，对于重型燃气轮
机透平叶片用单晶合金而言，其尺寸大、运行环境恶劣、寿命需求长等特点决定了
设计必须首先保证合金具有优异的抗腐蚀性能、铸造工艺性能、组织稳定性以及较
低的成本。
2.5 低Re单晶合金的发展
如上所述，虽然Re能够显著提高单晶合金的蠕变持久性能，具有“Re效应”，
但是高Re单晶合金存在组织不稳定、密度大、价格昂贵等缺点。特别是对于寿命
要求长的重型燃气轮机而言，这些缺点都是致命的。因此，国内外都在研发低Re
或无Re单晶合金。
2.5.1 日本的情况
日本国立材料科学研究所(NIMS)通过改变 W、Ta 质量分数，以提高Mo+W+Ta
质量分数，由此有效提高γ＇体积分数、基体固溶强化能力等，最终提升材料蠕变
持久强度。该研究所设计出了Re质量分数只有2.4%的TMS-82+合金，其使用温
度超过第2代单晶合金[9]。
为了解决1 700 ℃等级燃气轮机透平叶片用材问题，日本三菱公司与NIMS合作
研发了一种新型无Re单晶合金MGA1700。该合金的蠕变强度和热疲劳强度如图
3所示。可以看出，MGA1700的蠕变强度与现有第3代合金TMS-75相当，热
疲劳强度优于现有第2代单晶CMSX-4、TMS-82+和第3代合金TMS-75。
图3 MAG1700合金蠕变强度和热疲劳强度与现有合金的比较[3]
2.5.2 美国的情况
美国GE公司的F级和H级重型燃气轮机透平叶片已经使用第2代单晶合金Rene
N5。但是由于Rene N5含有约5%的Re元素，这大大增加了机组的制造成本，
从而降低了市场竞争力。因此，GE公司在Rene N5 基础上通过调整W、Mo、
Re 和 Cr 等元素的质量分数，获得一种低Re合金Rene N515，该合金的Re质
量分数降低到 1.5%。同时，GE公司还简化了合金的热处理工艺。Rene N515的
蠕变持久强度和抗氧化性能与Rene N5相当，如图4和图5所示。Rene N515
合金正在CFM56喷气发动机中得到应用。GE公司还在研发无Re的单晶合金
Rene 500。
图4 Rene N5和Rene N515合金的蠕变持久强度比较[12]
图5 Rene N5和Rene N515合金的抗氧化性能比较[12]
2.5.3 中国的情况
我国已经成功研制出低Re单晶合金DD406。与传统的等轴合金、定向铸造合金
和已成功应用的第2代CMSX-4单晶合金相比，DD406合金具有更好的高温综
合性能，已成为国内某型先进航空发动机涡轮转子叶片的主要材料[13]。DD406
合金化学成分如表3所示。与Rene5相比，DD406合金降低了Cr质量分数，提
高了W、Ta、Co等元素的质量分数。
表3 DD406镍基单晶合金化学成分(质量分数%)[13]CCrCoW0.001～
0.0403.80～4.808.50～9.507.00～9.00MoAlNbTa1.50～2.505.20～
6.20≤1.206.00～8.50ReHfNi1.60～2.400.05～0.15余
3 结 论
高Re单晶合金带来的成本高、组织稳定性差等缺点，决定了其不适合制造重型燃
气轮机透平叶片。因此，使用低Re或无Re单晶合金是重型燃气轮机透平叶片用
材的发展趋势。对于国内重型燃气轮机透平叶片用低Re或无Re单晶合金的研发，
应在充分研究航空发动机叶片用单晶合金(比如DD406)的基础上，重点解决铸造
工艺性能、组织稳定性、抗热腐蚀性等问题。
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