熱障涂層在地面重型燃氣輪機上的應用

王榮國

清研瀚高科技（天津）有限公司 天津 300300

熱障涂層（Thermal Barrier Coatings）是一層陶瓷涂層，它沉積在耐高溫金屬或超合金的表面，熱障涂層對于基底材料起到隔熱作用，降低基底溫度，使得用其制成的器件（如發動機渦輪葉片）能在高溫下運行，并且可以提高器件（發動機等）熱效率達到60%以上。

1 熱障涂層粘結底層材料

隨著時間的推移，我國已經在金屬研究的過程中自行設計出了差生氣體霧化真空制粉裝置。同時在實施地面重型燃氣輪機噴涂過程中已經使用了熱噴涂以及釬焊合金粉末的研制工作，這種制粉裝置的使用，其本身的冷卻的實際效果和速度下對較快，在較短的時間之內就能行程微晶粉末，其本身的成分也現對較為均勻，同時制粉的所有過程都應當在真空的狀態下進行全面的操作，其核心的雜質含量相對較低，殘余的其他主要含量相對較低，最終效果呈現出顆粒狀球形的主要特點內容。當前這種技術本身已經廣泛的使用在我國各類機械制造的過程之中，其中主要適用于航空發動機、航天發動機、地面重型燃氣輪機等重要的領域之中。

當煤在氣化爐中制備成為合成煤氣時，煤的蘊儲能中只能有72%～84%的能量份額直接轉化為煤氣的發熱量，其余的20%～10%的能量份額將轉化為供聯合循環中蒸汽輪機作功用的蒸汽熱能，致使蒸汽輪機能多發一部分功率。在燃氣輪機中廣泛應用帶陶瓷外層的涂層作為通流部分，首先是噴嘴葉片和工作葉片的熱和防腐蝕保護。這種保護涂層具有許多優點。作為防止硫化物透入金屬底層表面的屏障過濾器，預防了葉片材料硫化-氧化腐蝕過程的發展。起熱保護屏障作用，因為熱障涂層具有低的導熱性，使得部分沿壁面的總溫降在薄陶瓷層內完成，從而降低了不穩定工況下金屬的溫度并減小了沿葉片壁面的熱降。根據燃氣輪機各種運行工況下利用小慣性傳感器得到的渦輪前燃氣溫度數據，分析了熱力條件對具有陶瓷涂層的通流部分零件熱應力狀態的>影響。葉片裝置破壞的分析表明金屬和涂層之間熱物理性質明顯的差別會導致應力，促使出現>裂紋，陶瓷層層狀剝落和破壞并使防腐蝕和熱保護系統失效。這是十分危險的，因為它會使葉身迅速出現裂紋[1]。

2 熱障涂層的組織及性能

由于等離子焰流溫度相對較高，在噴涂粘結底層過程之中往往會造成元素的全面氧化和破壞，從而直接造成涂層實際性能質量，而超音速火焰噴涂溫度只有少數，粒子飛行速度本身相對較快，往往就能直接避免出現上述現象的呈現，極大程度的增進圖層的實際性能。在我國長期的研究過沉重通過一定的合金粉末作為熱障涂層粘結底層噴涂材料，分別采用等離子噴涂和超音速火焰噴涂技術制備底層。兩種不同的配噴涂制備的粘結底層在最終呈現的動力學結果。由此觀之超音速火焰涂層制備的粘結底層氧化增重明顯的小于等離子噴涂制備的粘結底層。而等離子制備粘結底層達到一定數量之后，可以觀察的值使用超音速火焰噴涂的方式極大程度的提升了粘結底層的高溫抗氧化的能力。

在實際的工作中為了提升地面重型燃氣輪機熱脹涂層的實際性能，在進行涂層材料的選擇過程中很多設計人員會直接針對性的選擇復合型的金屬材料，在通過一定的熱障涂層技術從而直接應用在地面重型燃氣輪機之上。而底層材料的直接選用和面層材料的選用，應該選擇不同的技術進行工作，分別采用超音速火焰和等離子噴涂技術手段在基體制備的過程中采用一定的氧化熱障涂層材料。

用于制金屬鋯和鋯化合物、制耐火磚和坩鍋、高頻陶瓷、研磨材料、陶瓷顏料和鋯酸鹽等主要用于壓電陶瓷制品、日用陶瓷、耐火材料及貴重金屬熔煉用的鋯磚、鋯管、坩堝等。也用于生產鋼及有色金屬、光學玻璃和二氧化鋯纖維。還用于陶瓷顏料、靜電涂料及烤漆。用于環氧樹脂中可增加耐熱鹽水的腐蝕。氧化鋯纖維是一種多晶質耐火纖維材料。由于ZrO2物質本身的高熔點、不氧化和其他高溫優良特性，使得ZrO2纖維具有比氧化鋁纖維、莫來石纖維、硅酸鋁纖維等其他耐火纖維品種更高的使用溫度。氧化鋯纖維在1500℃以上超高溫氧化氣氛下長期使用，最高使用溫度高達2200℃，甚至到2500℃仍可保持完整的纖維形狀，并且高溫化學性質穩定、耐腐蝕、抗氧化、抗熱震、不揮發、無污染，是目前國際上最頂尖的一種耐火纖維材料。ZrO2的耐酸堿腐蝕能力大大強于SiO2和Al2O3。不溶于水，溶于硫酸及氫氟酸；微溶于鹽酸和硝酸。能與堿共熔生成鋯酸鹽。等離子噴涂二氧化鋯熱障涂層在航空及工業用燃氣輪機上的應用已有很大進展，在一定限度內已經用于燃氣輪機的渦輪部分。由于這種涂層可以降低氣冷高溫部件的溫度50～200℃，因此可以顯著地改善高溫部件的耐久性,或者容許提高燃氣溫度或減少冷卻氣體的需用量而保持高溫部件所承受的溫度不變，從而提高發動機的效率[2]。

3 結語

當前的技術手段的支持下地面重型燃氣輪機本身正在向著高燃氣溫度、高效率、高質量、高穩定性等方面逐漸的發展，這些方面的發展本身主要是受限于當前燃氣輪機本身內部的熱端部件的承溫能力之下，為此只有全面提升當前熱端部件的承溫能力效果才能更好地推進地面重型燃氣輪機的建設管理質量。