燃氣輪機熱部件防護涂層
2018-09-05 12:35:24
作者：黃新春 來源：熱噴涂與再制造
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概述
現代燃氣輪機為了獲得較高的效率而采用較高的渦輪進口溫度，熱端部件因此需要承受氧化腐蝕及高速氣流的沖刷，抵抗高溫蠕變和熱機械疲勞長期工作而不致失效。
對于現代燃氣輪機，空氣和燃料中常含有硫、鈉鹽等腐蝕性成分，工作在這樣惡劣的環境下，金屬會很快失效。
對熱端部件進行涂層可以降低其表面溫度，并有效地抵抗氧化和腐蝕。
在海邊附近長期工作的燃氣輪機葉片
左：沒有涂層 右：NiAl涂層
葉片溫度承受能力三種防護涂層以及它們的壽命和耐受溫度
各種燃氣輪機渦輪葉片及涂層材料
|
制造商 |
型號 |
靜葉片 |
動葉片 |
涂層 |
|
ABB |
11N2 |
IN939 |
IN738LC |
NiCrAlY+Si |
|
GT24/26 |
DS CM247LC(R1) MarM247LC(R2,3) IN738(R4,5) |
DS CM247LC(R1-3) MarM247LC(R4,5) |
TBC(R1 V) NiCrAlY+Si(R2-4 B,V) 無涂層R5V,鍍鉻R5B |
|
|
GE |
7/9EA |
FSX-414 |
GTD-111/IN738/U500 |
RT22/GT29-In+(R1B) |
|
7/9FA |
FSX-414(R1) GTD-222(R2,3) |
DS GTD-111(R1) GTD-111(R2,3) |
GT33-In/GT29-In+/ 鍍鉻 |
|
|
7H |
SC Rene N5/ FSX-414/ GTD-222 |
SC Rene N5(R1) DS GTD-111(R2,3) |
TBC(R1,2B,V) 其它GT33 |
|
|
Siemens |
V84/94.2 |
IN939 |
IN738LC/IN792(R4) |
CoNiCrAlY+Si |
|
V84/94.3A |
SC PWA1483(R1,2)/ IN939 |
SC PWA1483(R1,2) |
TBC(EB-PVD R1B)/ MCrAlY+Re |
|
|
Westinghouse/ Mitsubishi |
M251S |
X-45(R1) |
U500(R1) |
CoNiCrAlY(R1B)/ TBC(PS R1V) |
|
501D5/701D |
ECY-768/X-45 |
U520 |
MCrAlY |
|
|
501/701F |
ECY-768/X-45 |
IN738LC |
TBC(R1 B,V)/ MCrAlY/Sermalloy J |
|
|
501/701G |
IN939 |
DS MarM002(R1,2) CM247 |
TBC(EB-PVD R1,2 B,V)/ MCrAlY |
注：R1，R2分別指第1級和第2級，一次類推；B和V分別指動葉片和靜葉片；
DS和SC分別指定向柱晶和單晶；PS指等離子噴涂；EB-PVD指電子束物理氣相沉積。
涂層工藝
等離子噴涂
陽極與陰極間產生高溫的等離子弧，使得送進的涂層材料
粉末熔化并高速地飛向待涂層基體的表面，從而凝聚形成涂層
等離子弧的溫度很高，涂層粉末完全熔化，粉末成分通常和涂層成分一致
涂層有氧化夾雜和孔洞，且殘余應力水平較高，需要熱處理
等離子噴涂分類
電子束物理氣相沉積
涂層類型
熱障涂層
熱障涂層材料的選擇
穩定劑的添加量
包覆涂層
包覆涂層中合金元素的作用
熱障涂層系統的失效及應對
在高速氣體沖刷，氧化，腐蝕以及燃氣輪機停機，變工況等條件下，熱障涂層系統將會失效而剝落，這通常是由粘接層和頂部陶瓷層在界面處分層引起的。
漣鋼M251S大修換下一級靜葉熱障涂層的失效
EB-PVD法制備熱障涂層系統中熱生長氧化物的生長動力學
TGO層的厚度隨著時間的增加呈拋物線式增長，表明它的形成受擴散控制
有資料表明，當TGO層的厚度達到10μm時，涂層將失效，因此，TBC系統的壽命與TGO層的厚度密切相關。
.
粘接層中的Al隨著時間的增加而逐漸減少，這是因為
形成富含氧化鋁的TGO層；
和金屬基體進行互擴散，Al逐漸進入基體；
以上削弱了包覆涂層的氧化保護作用，加速了TBC涂層的失效
對于EB-PVD技術，隨著時間的增長，TGO層加厚，并由開始的光滑逐漸變成起伏狀
對于PS技術，開始時TGO層就較為粗糙，然而在隨后的服役直至失效不再發生明顯的粗化
五種TBC系統的循環剝離壽命
總的來說，EB-PVD法制備的頂部陶瓷涂層比PS法的壽命更長，這是因為其頂部陶瓷涂層中存在微裂紋而使得它具有較大的應變極限
粘接層的工藝對TBC系統的壽命影響不大
在TGO層與頂部陶瓷層界面處存在很多缺陷，而分散的初期裂紋在缺陷處形成，這些裂紋生長并連接
當裂紋生長到一定尺寸而使TGO層發生彎曲時，涂層即發生失效（在冷卻時TGO內部產生較大的壓應力）應盡量避免負荷和燃料熱值的快速變化
經過一定循環次數后，TGO層發生彎曲并與頂部陶瓷層分離
空氣和燃料中通常含有Ca，Mg，Al，Si等，它們的氧化物會沉積在熱障涂層的表面，導致其部分熔解，從而使涂層的應變極限降低，硬度升高而加速其失效隨著時間的增加，燃料中的V會逐漸熔解YSZ中的Y元素，導致涂層失效S在粘接層中易形成低熔點夾雜并偏聚在晶界處極大地削弱其強度。
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