热喷涂技术在燃气轮机上的应用

时间：2017-07-01 18:45:01 来源：第十九届国际热喷涂研讨会（暨第二十届全国热喷涂年会) 作者：张强，刘伟，于大千

引言

    燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。燃气轮机由压气机、加热工质的设备(如燃烧室)、透平、控制系统和辅助设备组成。压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气涡轮中膨胀做功，推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的做功能力显著提高，因而燃气涡轮在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气初温和压气机的压缩比，是影响燃气轮机效率的两个主要因素。提高燃气初温，并相应提高压缩比，可使燃气轮机效率显著提高。随着燃气涡轮机技术向高透平初温、高流量比的趋势发展，使燃烧室中的燃气温度和压力不断提高，对高温材料的要求越来越苛刻。本文主要介绍高温部件的发展，通常这些部件是燃气轮机中工况最严苛的部件。
    先进的热喷涂涂层技术在很大程度上支持了燃气轮机技术的发展，如今全球燃气轮机制造、维修服务企业都采用了热喷涂技术对燃气轮机部件进行防护。热喷涂设备、热喷涂材料制造商无不把满足燃气轮机发展需求作为开发新设备和新材料的目的。图 1 为燃气轮机部件上应用的典型热喷涂涂层，热喷涂技术大多应用于燃气轮机压气机、燃烧室、透平等关键零部件上。如压气机叶片采用了抗冲蚀涂层、抗污涂层、抗点蚀涂层、封严涂层等；燃烧室部件采用了热障涂层、抗氧化涂层、耐磨涂层、封严涂层等，透平叶片及护环等采用了热障涂层、抗氧化涂层、抗热腐蚀涂层、耐磨涂层、耐磨涂层、可磨耗涂层等。这些涂层大多使用热喷涂工艺来制造，主要有等离子喷涂（大气等离子、低压等离子等）、火焰喷涂（常规火焰喷涂、超音速火焰喷涂）、电弧喷涂等。热端部件是燃气轮机的关键核心部件，高温涂层是燃气轮机设计、制造、维修过程中必须要掌握的核心技术之一，因此，本文重点介绍燃气轮机关键的热端部件通过热喷涂技术生产的热障涂层和高温合金涂层，同时也对下一代燃气轮机高温涂层技术的重点研究方向进行了展望。

1 热障涂层

    典型的热障涂层（TBC）主要由金属（合金）粘结层和陶瓷涂层组成，粘结层主要是抗高温氧化和腐蚀的合金，而陶瓷涂层通常为氧化钇稳定的氧化锆层（YSZ）。陶瓷涂层厚度通常在 0.1-1mm，而合金涂层厚度在 0.05-0.5mm。热障涂层的研究始于上世纪 40 年代末，到 60 年代就已应用于火箭喷嘴和燃气轮机燃烧室部件，70 年代中期，随着双层涂层系统开发成功和热障涂层研究获得突破性进展，在燃气轮机透平叶片、燃烧室等部件中获得广泛应用。传统热障涂层的面层采用氧化钇稳定的氧化锆，相比于其他氧化物材料具有高韧性、与高温合金相近的热膨胀系数、良好的热冲击性能、低的热导率、高熔点等特性，已经广泛应用了约 20 年以上。
    目前，燃气轮机的一级动叶和静叶、护环、火焰筒、过渡段等部件都使用了热障涂层。由于这些部件的工况不同，对热障涂层的要求也不同。火焰筒和过渡段是静止部件，主要需要为隔热，并且维修周期比叶片要短，因此此处使用的热障涂层主要为大气等离子喷涂的粘结底层和多孔的较厚的陶瓷面层；一级静叶为燃烧室出来的燃气导流，温度高，受燃气冲刷，且维修周期长，因此需要的热障涂层具有良好的抗高温氧化腐蚀、隔热和抗冲蚀的能力，对热障涂层的要求比火焰筒和过渡段要高，一般采用低压等离子或超音速火焰喷涂粘结底层，大气等离子喷涂陶瓷面层，GE 公司采用了多孔的三层结构或 DVC 涂层；一级动叶旋转做工，工况最苛刻，对热障涂层的要求与一级静叶相似，但有所提高。
    图2 为传统的多孔 TBC 涂层和致密垂直裂纹 DVC 涂层，传统的多孔氧化锆涂层具有 5-20%的孔隙率，而 DVC 涂层的孔隙率通常低于 5%以下，且厚度在 0.6mm 以上，由于涂层中存在大的垂直裂纹，能够有效缓和涂层在使用过程中的产生内部应力，提高了涂层使用寿命。
    随着燃气轮机初温的不断提高，需要能够承受更高温度的热障涂层材料来满足燃气轮机的发展，科学家们开发了一系列新型陶瓷材料。如图 3 所示，La2Zr2O7(LZ), Gd2Zr2O7(GZ), La/Gd)2Zr2O7 等新型陶瓷材料虽具有更低的热导率，是有潜力成为新型低热导率涂层的材料，但这些材料断裂韧性很差、热膨胀系数不匹配、相转变等。因此，性能优化也应成为新材料开发的重点，基于 YSZ 涂层良好各项性能特征，结合新型陶瓷材料的 LZ 或 LTA 进行双层结构设计,是提高 TBC 涂层热循环寿命的重要途径。

2 高温合金涂层

    燃气轮机运行温度的持续升高，高温合金越来越复杂，不使用涂层而获得更高强度和令人满意的耐腐蚀和抗氧化性能变得越来越困难。为了提高热端部件高温强度和抗高温氧化性。因此对透平叶片、护环等关键零部件进行涂层防护，防止叶片腐蚀、氧化和力学性能劣化。所有高温合金涂层的功能都是在表面形成一层致密的附着力很强的氧化层，起到防止基体材料氧化、腐蚀和劣化的作用。燃气轮机透平动静叶都使用了这种涂层，有些是作为热障涂层的粘结底层使用，有些单独使用在叶片表面。
    GE 公司在燃气轮机部件上使用两种基本类型的涂层。第一种类型是扩散型涂层，称为铂铝（PtAl）涂层，这类涂层主要是采用气相渗铝或固相渗铝来制造。第二种类型是覆盖型涂层，比如GT-29、GT33 涂层。这两种涂层系列的发展都是为满足现场需要。铝化铂最初应用于重型燃机涂层，主要为解决 1960 年代舰船中大量零件出现的腐蚀问题。当时，涂层使 In-738 叶片的腐蚀寿命提高了一倍。GT-29 涂层又使抗腐蚀性能提高了50%。GT-29+涂层是在 GT29 涂层（覆盖性 MCrAlY 涂层）基础之上，增加渗铝涂层来提高抗热腐蚀性能，同时也具有更好的抗氧化性能，这正是最新级别燃机所要求的。为了提高合金涂层性能，又研发了 GT-33 涂层，用于更高进气温度燃机（比如 7FA 和 9FA 燃机）的第 1 级叶片。该涂层的抗高温氧化性能甚至优于 GT-29+。GT33 涂层是覆盖涂层，在某一个方面与扩散涂层（比如铂铝涂层）不同。扩散涂层中至少一个主要元素（通常是镍）是来自基体金属。而覆盖涂层的所有组成元素都来自其自身。覆盖涂层的优点是可以使用更多不同的抗腐蚀成分，因为成分不受基体金属成分限制，而且也不受工艺要求的厚度限制。GT29 和 GT33 涂层等覆盖涂层，目前大量应用在 GE 公司的燃气轮机透平叶片、燃烧部件等热端部件上，通常采用低压等离子设备进行生产。在 2000 年以后，随着热喷涂设备的发展，GE 公司开始在燃气轮机部件上也开始采用制造成本较低的超音速火焰喷涂（HVOF）来制造高温合金覆盖涂层，图 6 为采用 HVOF 制备的 MCrAlY 高温合金覆盖涂层。

3 下一代涂层技术

    燃气轮机发达国家，如美国、德国、日本等，持续不断投入资金进行基础研究、工艺开发、实验验证、工程应用。而先进涂层技术是燃气轮机发展的基础和必须掌握突破的核心技术，燃气轮机制造强国及燃气轮机制造厂家，一般都是通过 10-20 年的技术积累和不断投入，开发新材料和工艺，进一步提高燃气轮机热端部件涂层的抗氧化、抗热疲劳性能及热障涂层长寿命和高隔热性能。

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