热障涂层在地面重型燃气轮机上的应用

时间：2024-04-25

王荣国

清研瀚高科技（天津）有限公司天津 300300

热障涂层（Thermal Barrier Coatings）是一层陶瓷涂层，它沉积在耐高温金属或超合金的表面，热障涂层对于基底材料起到隔热作用，降低基底温度，使得用其制成的器件（如发动机涡轮叶片）能在高温下运行，并且可以提高器件（发动机等）热效率达到60%以上。

1 热障涂层粘结底层材料

随着时间的推移，我国已经在金属研究的过程中自行设计出了差生气体雾化真空制粉装置。同时在实施地面重型燃气轮机喷涂过程中已经使用了热喷涂以及钎焊合金粉末的研制工作，这种制粉装置的使用，其本身的冷却的实际效果和速度下对较快，在较短的时间之内就能行程微晶粉末，其本身的成分也现对较为均匀，同时制粉的所有过程都应当在真空的状态下进行全面的操作，其核心的杂质含量相对较低，残余的其他主要含量相对较低，最终效果呈现出颗粒状球形的主要特点内容。当前这种技术本身已经广泛的使用在我国各类机械制造的过程之中，其中主要适用于航空发动机、航天发动机、地面重型燃气轮机等重要的领域之中。

当煤在气化炉中制备成为合成煤气时，煤的蕴储能中只能有72%～84%的能量份额直接转化为煤气的发热量，其余的20%～10%的能量份额将转化为供联合循环中蒸汽轮机作功用的蒸汽热能，致使蒸汽轮机能多发一部分功率。在燃气轮机中广泛应用带陶瓷外层的涂层作为通流部分，首先是喷嘴叶片和工作叶片的热和防腐蚀保护。这种保护涂层具有许多优点。作为防止硫化物透入金属底层表面的屏障过滤器，预防了叶片材料硫化-氧化腐蚀过程的发展。起热保护屏障作用，因为热障涂层具有低的导热性，使得部分沿壁面的总温降在薄陶瓷层内完成，从而降低了不稳定工况下金属的温度并减小了沿叶片壁面的热降。根据燃气轮机各种运行工况下利用小惯性传感器得到的涡轮前燃气温度数据，分析了热力条件对具有陶瓷涂层的通流部分零件热应力状态的>影响。叶片装置破坏的分析表明金属和涂层之间热物理性质明显的差别会导致应力，促使出现>裂纹，陶瓷层层状剥落和破坏并使防腐蚀和热保护系统失效。这是十分危险的，因为它会使叶身迅速出现裂纹[1]。

2 热障涂层的组织及性能

由于等离子焰流温度相对较高，在喷涂粘结底层过程之中往往会造成元素的全面氧化和破坏，从而直接造成涂层实际性能质量，而超音速火焰喷涂温度只有少数，粒子飞行速度本身相对较快，往往就能直接避免出现上述现象的呈现，极大程度的增进图层的实际性能。在我国长期的研究过沉重通过一定的合金粉末作为热障涂层粘结底层喷涂材料，分别采用等离子喷涂和超音速火焰喷涂技术制备底层。两种不同的配喷涂制备的粘结底层在最终呈现的动力学结果。由此观之超音速火焰涂层制备的粘结底层氧化增重明显的小于等离子喷涂制备的粘结底层。而等离子制备粘结底层达到一定数量之后，可以观察的值使用超音速火焰喷涂的方式极大程度的提升了粘结底层的高温抗氧化的能力。

在实际的工作中为了提升地面重型燃气轮机热胀涂层的实际性能，在进行涂层材料的选择过程中很多设计人员会直接针对性的选择复合型的金属材料，在通过一定的热障涂层技术从而直接应用在地面重型燃气轮机之上。而底层材料的直接选用和面层材料的选用，应该选择不同的技术进行工作，分别采用超音速火焰和等离子喷涂技术手段在基体制备的过程中采用一定的氧化热障涂层材料。

用于制金属锆和锆化合物、制耐火砖和坩锅、高频陶瓷、研磨材料、陶瓷颜料和锆酸盐等主要用于压电陶瓷制品、日用陶瓷、耐火材料及贵重金属熔炼用的锆砖、锆管、坩埚等。也用于生产钢及有色金属、光学玻璃和二氧化锆纤维。还用于陶瓷颜料、静电涂料及烤漆。用于环氧树脂中可增加耐热盐水的腐蚀。氧化锆纤维是一种多晶质耐火纤维材料。由于ZrO2物质本身的高熔点、不氧化和其他高温优良特性，使得ZrO2纤维具有比氧化铝纤维、莫来石纤维、硅酸铝纤维等其他耐火纤维品种更高的使用温度。氧化锆纤维在1500℃以上超高温氧化气氛下长期使用，最高使用温度高达2200℃，甚至到2500℃仍可保持完整的纤维形状，并且高温化学性质稳定、耐腐蚀、抗氧化、抗热震、不挥发、无污染，是目前国际上最顶尖的一种耐火纤维材料。ZrO2的耐酸碱腐蚀能力大大强于SiO2和Al2O3。不溶于水，溶于硫酸及氢氟酸；微溶于盐酸和硝酸。能与碱共熔生成锆酸盐。等离子喷涂二氧化锆热障涂层在航空及工业用燃气轮机上的应用已有很大进展，在一定限度内已经用于燃气轮机的涡轮部分。由于这种涂层可以降低气冷高温部件的温度50～200℃，因此可以显著地改善高温部件的耐久性,或者容许提高燃气温度或减少冷却气体的需用量而保持高温部件所承受的温度不变，从而提高发动机的效率[2]。