概述

    現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)為了獲得較高的效率而采用較高的渦輪進(jìn)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(jī)械疲勞長(zhǎng)期工作而不致失效。

    對(duì)于現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)，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(huán)境下，金屬會(huì)很快失效。

    對(duì)熱端部件進(jìn)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(zhǎng)期工作的燃?xì)廨啓C(jī)葉片

左：沒(méi)有涂層  右：NiAl涂層

    葉片溫度承受能力三種防護(hù)涂層以及它們的壽命和耐受溫度

各種燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片及涂層材料

    注：R1，R2分別指第1級(jí)和第2級(jí)，一次類推；B和V分別指動(dòng)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(yáng)極與陰極間產(chǎn)生高溫的等離子弧，使得送進(jìn)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(yīng)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(wěn)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(tǒng)的失效及應(yīng)對(duì)

    在高速氣體沖刷，氧化，腐蝕以及燃?xì)廨啓C(jī)停機(jī)，變工況等條件下，熱障涂層系統(tǒng)將會(huì)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(jí)靜葉熱障涂層的失效

EB-PVD法制備熱障涂層系統(tǒng)中熱生長(zhǎng)氧化物的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)

    TGO層的厚度隨著時(shí)間的增加呈拋物線式增長(zhǎng)，表明它的形成受擴(kuò)散控制

    有資料表明，當(dāng)TGO層的厚度達(dá)到10μm時(shí)，涂層將失效，因此，TBC系統(tǒng)的壽命與TGO層的厚度密切相關(guān)。

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    粘接層中的Al隨著時(shí)間的增加而逐漸減少，這是因?yàn)?/span>

    形成富含氧化鋁的TGO層；

和金屬基體進(jìn)行互擴(kuò)散，Al逐漸進(jìn)入基體；

    以上削弱了包覆涂層的氧化保護(hù)作用，加速了TBC涂層的失效

    對(duì)于EB-PVD技術(shù)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，TGO層加厚，并由開(kāi)始的光滑逐漸變成起伏狀

    對(duì)于PS技術(shù)，開(kāi)始時(shí)TGO層就較為粗糙，然而在隨后的服役直至失效不再發(fā)生明顯的粗化

    五種TBC系統(tǒng)的循環(huán)剝離壽命

    總的來(lái)說(shuō)，EB-PVD法制備的頂部陶瓷涂層比PS法的壽命更長(zhǎng)，這是因?yàn)槠漤敳刻沾赏繉又写嬖谖⒘鸭y而使得它具有較大的應(yīng)變極限

    粘接層的工藝對(duì)TBC系統(tǒng)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(zhǎng)并連接

    當(dāng)裂紋生長(zhǎng)到一定尺寸而使TGO層發(fā)生彎曲時(shí)，涂層即發(fā)生失效（在冷卻時(shí)TGO內(nèi)部產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力）應(yīng)盡量避免負(fù)荷和燃料熱值的快速變化

經(jīng)過(guò)一定循環(huán)次數(shù)后，TGO層發(fā)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(huì)沉積在熱障涂層的表面，導(dǎo)致其部分熔解，從而使涂層的應(yīng)變極限降低，硬度升高而加速其失效隨著時(shí)間的增加，燃料中的V會(huì)逐漸熔解YSZ中的Y元素，導(dǎo)致涂層失效S在粘接層中易形成低熔點(diǎn)夾雜并偏聚在晶界處極大地削弱其強(qiáng)度。

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責(zé)任編輯：王元

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