摘要:燃氣輪機的部件的工作溫度跨越室溫到部件材料的熔點附近,部件在運行過程中受到各種侵蝕,材料性能退化。燃氣輪機中很多部位都需要涂層進行防護。通過對一些在使用過程中失去尺寸公差的部件的涂層進行修理和翻新,從而避免直接更換新部件,降低成本;飛灰和砂粒的侵蝕會損壞壓縮機葉片,會在發動機使用初期就造成故障;發動機震動會引起壓縮機葉片燕尾槽根部產生微動磨損;由于軸錯位、外殼橢圓度及間隙不足會引起壓縮機外殼與旋轉葉片接觸,導致葉片和外殼損壞。鈦合金部件之間的摩擦會引起鈦火;為提高發動機效率,需要對壓氣機的間隙進行嚴密控制。在發動機運轉過程中,發生旋轉和往復運動的幾個接觸面的磨損需要保護。燃燒室內被污染的燃料產生的熱氣體會在其通道上造成氧化和腐蝕。在熱端部件中,旋轉和靜止部件需要隔熱,以避免較高的工作溫度,從而提高發動機的熱效率。燃氣輪機各部位需求多樣,需要通過應用一系列涂層來保護部件,避免故障。本文通過對燃氣輪機各部位涂層的綜述,對涂層的結構細節、表征方法、失效機理進行描述,以便于工程師加深對燃氣輪機用熱噴涂涂層的理解。
1、前言
燃氣輪機部件的基體材料為部件提供必要的機械強度,當基體材料性能與部件表面設計性能相矛盾時就需要在基體材料上涂覆涂層以滿足工程應用的需求。涂層可有效保護部件免受各種環境因素的影響,如刮削、沖蝕、磨損、微動磨損、氧化、腐蝕等。由于燃氣輪機部件工況惡劣且復雜,很多部件必須要采用涂層進行防護,但沒有一種普適涂層能夠滿足所有工況環境的要求。
涂層的化學成分和制備工藝必須滿足物理、機械、化學和環境相容性等方面的要求。涂層可以通過擴散工藝或涂覆工藝進行制備。擴散過程會在擴散區與基體形成良好的冶金結合;而熱噴涂涂層的結合主要依靠機械結合;常規物理氣相沉積是機械結合,電子束物理氣相沉積(電子束PVD)會形成化學鍵的結合。擴散工藝形成的涂層厚度在幾微米,可進行批量加工,因此在經濟上很便宜;缺點是不能很好地控制涂層的化學成分。涂覆工藝制備的涂層可以達到3毫米厚,涂層的化學成分可以通過控制粉末的化學性質來精確控制。涂覆工藝的缺點是,難以對涂層厚度進行精細控制,只能加工工件可視范圍類區域。涂覆工藝也是一種修復再制造工藝,在磨損的軸上進行涂覆并機加工滿足尺寸要求。
燃氣輪機工作環境苛刻。不同部位使用的涂層不同,如圖1所示。壓縮機葉片和葉片上涂有抗腐蝕涂層。壓縮機葉片與輪盤接觸的燕尾根部使用了防微動磨損涂層。可磨耗涂層用于外殼、尖端和密封件。直徑調整涂層應用于發動機的不同部位。燃氣輪機葉片和葉片由耐腐蝕和抗氧化涂層保護。燃氣輪機的葉片、葉片、流道整流罩、噴管襯套和燃燒器由熱障涂層保護。

圖1 燃氣輪機不同部位使用的涂層
(2)涂層構建和修復
燃氣輪機部件出現磨損、損壞或不匹配的情況時,采取修復手段而不是替換新部件,修復涂層的厚度從幾微米到3毫米不等。涂層重新修復需要正確的尺寸和公差,同時也要符合表面粗糙度的要求。一般需要采用與基體材料類似的材料進行修復,如果使用不同材料,需要考慮熱膨脹系數和電流耦合特性(避免形成電池)等。堆積涂層具有多種成分,例如鐵基和鎳基材料。首選的沉積工藝是空氣等離子噴涂(APS)和高速氧燃料(HVOF)涂層,因為它們具有更高的結合強度。圖2a為Metco公司的Amdry 625(Ni21.5Cr9Mo3.6 (Nb+Ta) 2.5Fe)粉末,該粉末為氣霧化工藝制備,粒度為45-90μm。該粉末可用于鈦合金基體的修復,如在壓縮機第三級盤內徑上進行等離子噴涂,基材為Ti6Al4V,涂層材料為Amdry 625,涂層厚度948 μm,顯微形貌如圖2b所示。Amdry 625涂層的孔隙率小于1.2%,未熔化顆粒小于0.5%,平均顯微硬度平均值為625HV0.3,結合強度為36MPa。

圖2a Amdry 625粉末形貌

圖2b Amdry 625涂層顯微形貌
圖3a為Metco 450 (Ni5Al)粉末的形貌,該粉末為機械包覆粉末,粒度為45-90微米。氣霧化制備的Ni5Al粉末形貌如圖3b所示。在Ti6Al4V基體上進行等離子噴涂,涂層如圖3c所示,涂層硬度為HRB 82。

圖3a 包覆型的Ni5Al粉末形貌

圖3b 氣霧化型Ni5Al粉末形貌

圖3c Metco 450(Ni–5Al)等離子噴涂涂層的顯微組織
通常熱噴涂噴槍掃過一次基體的涂層厚度約為10微米,因此,如果要求涂層厚度幾微米時,不能采用熱噴涂工藝;此時常用的工藝是電鍍,涂層厚度精細可控,并且具有良好的結合強度。圖4顯示了厚度為12 微米的鍍鉻軸承鋼的顯微組織。

圖4 軸承箱表面鍍鉻層
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