重型燃氣輪機先進熱障涂層研究進展

■ 崔耀欣 汪超 何磊 張宏琦/上海電氣燃氣輪機有限公司

近年來，隨著節能環保壓力的增大，世界主要重型燃氣輪機制造商（OEM）都在積極開發先進的高溫材料技術，進一步提升重型燃氣輪機渦輪進氣溫度（TIT），以實現更低排放和更高效率。其中，熱障涂層材料（TBC）技術研究作為重型燃氣輪機高溫材料技術攻關的核心環節，是提升重型燃氣輪機渦輪前溫度、延長渦輪葉片使用壽命的有效手段。

重型燃氣輪機作為高效的熱-功轉換裝置，廣泛應用于民用發電領域。隨著發電用重型燃氣輪機技術的發展，以及環境對污染物排放的嚴格限制，重型燃氣輪機正不斷向高效率、大功率、低排放的方向發展[1]。效率和功率的提高、排放的降低勢必需要提高渦輪進氣溫度（TIT），使得熱端部件的設計對冷卻效果的要求越來越高，由此導致了冷卻結構越來越復雜，難以加工。目前，熱端部件所用的先進單晶高溫合金的使用溫度大多已經達到極限，而承溫能力更好的連續纖維陶瓷基復合材料還未成熟應用。因此，采用熱障涂層（TBC）技術是目前燃氣輪機實現高效率、低排放和長壽命的唯一切實可行的有效途徑，是先進重型燃氣輪機制造的關鍵技術之一。目前，重型燃氣輪機的TIT已達到1500℃，其工作溫度的提高對熱端部件結構和材料的要求也越來越苛刻，需要更先進的熱端部件冷卻設計和更先進的高溫材料來適應冷卻和工作溫度的需求。例如，雙層壁發汗式冷卻設計可以有效降低熱端部件基體材料的溫度，但是后續鑄造難度極大，會造成工藝成本急劇升高；陶瓷基復合材料代替高溫合金的可行性研究雖取得了可喜成績，但目前的技術成熟度還較低，應用于重型燃氣輪機還需要更深入地開展工作。因此，從綜合因素分析，先進熱障涂層是目前最為經濟、可行的關鍵技術。

熱障涂層技術簡介

熱障涂層技術是將耐腐蝕黏結層、抗高溫的陶瓷層噴涂在基體金屬材

圖1 重型燃機發展趨勢[2]

燃氣輪機發展趨勢

從燃氣輪機的發展趨勢（如圖1所示）可以看出，燃氣輪機技術發展的趨勢始終是追求更高的效率、功率和工作溫度，以及更低的排放。

圖2 重型燃氣輪機典型熱障涂層的示意圖

圖3 等離子噴涂熱障涂層的循環壽命（1200℃，1h循環模式）

熱障涂層的開發和應用情況

料上（如圖2所示[3]），利用陶瓷層的低熱導率特性，對基體金屬材料起到隔熱作用，從而降低基體的溫度，提高基體的使用壽命。由于基體金屬材料與陶瓷層的熱膨脹不匹配，如果直接將陶瓷層噴涂在金屬基體上，在熱應力的作用下會導致涂層很快脫落。因此，為了解決膨脹系數的匹配度問題，需要在陶瓷層和基體之間形成一個過渡層，同時起著黏結陶瓷層和基體材料的作用，由于過渡層與基材和陶瓷層的結合力要非常好，因此也叫黏結層。在黏結層中，由于鉻（Cr）、鋁（Al）元素含量較高，抗熱腐蝕性好，因此對基材也起著熱腐蝕防護作用。黏結層、陶瓷層共同組成了熱障涂層防護體系，它的性能對熱端部件的服役壽命、承溫能力、燃氣輪機效率的提高都至關重要。因此，尋找抗熱腐蝕、抗氧化的黏結層材料和熱導率較低、承溫能力較高、高溫穩定性較好的陶瓷材料是熱障涂層材料技術發展的關鍵。

目前，能用作燃燒室和渦輪等熱端部件熱障涂層的材料非常有限，這是因為熱端部件的工作環境非常苛刻，除了溫度高，還有水蒸氣沖蝕、外來物顆粒浸蝕等影響，這對熱障涂層材料的熔點、高溫穩定性、斷裂韌性、抗腐蝕性、熱膨脹系數匹配度和涂層結合力等都提出了嚴苛的要求。現唯一廣泛商業化應用的熱障涂層陶瓷材料是氧化釔部分穩定的氧化鋯（PYSZ 或YSZ），而且只有循環壽命最長的質量分數為6%～8%的氧化釔穩定氧化鋯可用于重型燃氣輪機（如圖3所示[4]）。即便如此，它仍存在一些問題，即在工作溫度高于1200℃時，PYSZ會發生相變或燒結，伴隨著熱物理性能和力學性能退化，出現應變容限降低和裂紋，造成TBC過快剝落失效。因此，為了適應重型燃氣輪機的運行溫度不斷提升的要求，迫切需要開發先進的熱障涂層材料，特別是陶瓷涂層材料。目前，投入市場運營的燃氣輪機熱端部件使用的熱障涂層是具有幾十年應用經驗的MCrAlY+7～8YSZ體系。重型燃氣輪機制造商在TBC的應用方面采用了不同的技術路線。

美國GE公司的TBC技術開發是從熱端部件防護性涂層開始。從20世紀70年代開始使用擴散性的PtAl涂層，以提高第一級渦輪轉子葉片的抗熱腐蝕性；到80年代，逐漸被包覆性的MCrAlY涂層取代，這種包覆性的涂層既可以單獨作為防護性涂層，也可以用于TBC的黏結層，第一代MCrAlY涂層為PLASMAGUARD GT-29，相對于PtAl涂層，抗腐蝕性能提高了50%；到80年代中期，隨著燃氣輪機工作溫度的提高，越來越多的氧化問題開始出現，GE公司在GT29基礎上開發了LASMAGUARD GT-29PLUS，主要是提高了涂層外表面的Al含量；之后，GE公司對PLASMAGUARD GT-29做改進，開發出了PLASMAGUARD GT-29PLUS，不僅提高了抗熱腐蝕性能，而且提高了抗氧化性；隨后開發的GT-33 IN-COAT和GT-33 IN-PLUS，用于更高工作溫度的熱端部件，相對于GT29系列除了具有更好的抗氧化性，還具有更好的抗開裂性能（如圖4所示）；PLASMAGUARD GT-43采用復合涂層方式，用來防止低溫熱腐蝕；此外，GE公司還開發了專門用于在高溫區工作的罩環表面的PLASMAGUARD GT-20涂層，這種涂層不僅具有良好的抗氧化性，而且還具有良好的耐磨性[5]。

1987年，GE公司開始使用TBC涂層，黏結層采用低壓等離子噴涂（LPPS）或真空等離子噴涂（VPS）工藝，陶瓷層采用APS或電子束物理氣相沉積（EB-PVD）噴涂的PYSZ[6]。隨著對先進TBC技術的需求的提高，GE公司通過參與美國先進渦輪系統（ATS）計劃，從噴涂工藝控制涂層結構入手，開發了致密垂直涂層（DVC）技術[7]，以提高熱障涂層的壽命，這一技術計劃應用于9FB和H級燃氣輪機機組上。

德國西門子公司在重型燃氣輪機熱端部件上應用的熱障涂層黏結層材料有SICOAT2231、SICOAT2453和SICOAT2464等3種。其中SICOAT2231是鈷基MCrAlY，其他兩種是含錸（Re）的鎳基MCrAlY。該類涂層具有良好的抗氧化性和較長的高溫服役壽命。陶瓷層采用SICOAT 10464和SICOAT 20464。SICOAT 10464是在傳統的PYSZ基礎上進行改進的材料，相對傳統YSZ具有更好的性能。SICOAT 20464相對SICOAT 10464具有更好的抗性能退化和耐高溫能力，熱導率降低了30%，燒結率明顯降低[8]。在熱障涂層制備工藝上，西門子公司的黏結層采用氧氣助燃超聲速火焰噴涂（HVOF）或VPS工藝，陶瓷層采用APS工藝。

西門子公司同樣是通過美國的ATS計劃，參與到先進的TBC體系開發中的，其目標是滿足超過24000h的服役壽命。試驗證明其先進熱障涂層不僅具有更高承溫能力，而且具有抗高溫度梯度能力[9]。

圖4 GE公司涂層性能對比[11]

三菱重工的燃氣輪機技術是在引進美國西屋公司技術的基礎上發展而來。從1984年開始，三菱重工將TBC技術引進到燃燒室，隨后又逐漸應用到渦輪。為了滿足J級和1700℃燃氣輪機工作溫度的需求，三菱重工選擇開發新型陶瓷涂層作為方向。其最終選取了燒綠石結構和四方相結構兩種新型熱障涂層材料進行篩選[10]。研究結果顯示，新型熱障涂層具有更高的高溫穩定性，燒綠石結構的熱障涂層材料的熱導率相對于傳統的7YSZ熱障涂層的熱導率降低了20%；四方相結構的熱障涂層材料的循環壽命提高了1倍還要多。通過在M501GTV1上的工業噴涂，經過10000h的現場測試后，兩種材料結果反饋都非常好[11]。

意大利安薩爾多能源（AEN）公司在重型燃氣輪機熱端部件的熱障涂層黏結層材料有SV20、SL20和SH20[12]和SV349。前3種黏結層主要用于渦輪葉片，最后1種黏結層用于燃燒室。陶瓷層采用傳統的7～8YSZ。黏結層采用VPS噴涂技術，陶瓷層采用APS噴涂技術。

為了滿足技術發展需求，AEN公司先后參與歐洲TBC-PLUS計劃和TOPPCOAT計 劃[13]。 前 者 主 要解決材料問題，目標是至少提高燃氣輪機工作溫度50℃，TBC承溫能力超過1200℃。該項目采用APS和EB-PVD兩種工藝，對先進TBC材料進行了測試和篩選。后者主要是解決涂層結構問題，通過工藝調控，提高熱障涂層的熱循環壽命，同時可以控制熱障涂層制造成本。

從上可見，在熱障涂層技術發展前期，主要是開發黏結層材料，以滿足抗熱腐蝕的要求。隨著TIT的不斷提升，燃氣輪機制造商開始考慮開發先進陶瓷材料，以滿足降溫和抗氧化的需求。

國內在熱障涂層技術方面，一方面是各學術研究單位緊跟國際熱障涂層技術發展步伐，開始在先進熱障涂層技術方面深入研究；另一方面是各重型燃氣輪機OEM開展傳統熱障涂層噴涂技術攻關，并在此基礎上和高校研究機構合作開發先進熱障涂層。

圖5 用于激光熱沖擊和爐熱循環的試樣

作為重型燃氣輪機制造商，上海電氣和AEN公司自2014年開展戰略合作，已掌握F級重型燃氣輪機傳統熱障涂層的制備技術及特種加工技術，正在積極開發先進熱障涂層材料。目前已經完成了先進熱障涂層材料粉體制備、噴涂工藝和激光熱沖擊測試，不同的測試采用了不同的試樣（如圖5所示）。研究結果顯示，由于涂層失效機理發生了變化，先進雙層熱障涂層結構的激光熱沖擊壽命相對單層的傳統的PYSZTBC提高了約38%。

結束語

先進熱障涂層要求能夠在1200℃以上長時工作，因此要求先進熱障涂層具有較好的高溫穩定性、較低的熱導率和較好的抗熱腐蝕性。因此，重型燃氣輪機先進熱障涂層未來的研究方向主要是：高溫穩定性好、熱導率低、抗燒結的新型熱障涂層材料研究；抗高溫氧化、抗熱腐蝕、匹配高溫合金基體的黏結層材料研究；高質量、重復性好的熱障涂層粉末和噴涂技術研究；可靠、先進的涂層檢測技術研究；準確的服役特性分析和準確的壽命評估方法研究。

雖然我國已經突破了應用于F級重型燃氣輪機YSZ/MCrAlY熱障涂層材料和制備關鍵技術，但仍面臨著工藝穩定和應用經驗等挑戰。建議國內產學研用相結合，盡快實現先進熱障涂層工程應用。

（崔耀欣，上海電氣燃氣輪機有限公司，高級工程師，主要從事燃氣輪機技術研究）