重型燃氣輪機透平葉片熱障涂層的高溫氧化壽命預測

2023-11-27 13:23:46肖俊峰高斯峰唐文書李永君劉全明

機械工程材料 2023年11期

南晴,肖俊峰,高斯峰,唐文書,李永君,張炯,劉全明

(西安熱工研究院有限公司,西安 710054)

0 引言

燃氣輪機是清潔高效火電能源系統的核心動力裝備之一,是國家工業和科技水平、國防工業與軍事能力的重要標志,被譽為“工業皇冠上的明珠”[1]。從燃氣輪機的發展歷程來看,透平燃氣進口溫度代表了燃氣輪機的技術水平。目前,F級重型燃氣輪機的燃氣進口溫度為1 400 ℃,G/H/J級已達1 500～1 600 ℃,未來將達到1 700 ℃及以上,明顯高于高溫合金熔點(1 300 ℃),這對透平葉片的強度、設計及制造提出了嚴峻挑戰[2]。相比開發更高等級的高溫材料和先進氣膜冷卻技術,熱障涂層(TBCs)技術成本更低;在葉片表面制備熱障涂層,不僅具有顯著的熱障效果,還能防止氧化、腐蝕和外來物沖蝕等對葉片造成的損傷,從而有效提升葉片的壽命和可靠性[3]。

燃氣輪機機組普遍參與電網的調峰,起停頻繁,使得燃氣輪機高溫部件表面的熱障涂層在服役過程中不斷經歷溫度循環,易產生熱疲勞損傷,而且熱障涂層在服役過程中長期經受高溫煙氣沖擊,易發生高溫氧化。研究熱障涂層的失效機理以及建立合理的壽命預測模型,一直是國內外學者研究的重點。研究[2,4]表明,熱障涂層典型的損傷形式有涂層開裂、涂層剝落等,這些損傷是溫度循環和高溫氧化綜合作用的結果。RABIEI[5]和CHEN等[6]研究了氧化層存在時熱障涂層的破壞機制,發現熱障涂層的失效幾乎都產生于熱生長氧化物(TGO)層或其附近(主要沿著TGO/黏結層界面)。MEIER等[7]建立了熱障涂層高溫氧化壽命模型,魏洪亮等[8]在其研究基礎之上,加入疲勞累積損傷理論,建立了考慮涂層氧化的熱障涂層熱疲勞壽命模型。但是目前,有關在透平葉片實際服役環境,特別是溫度載荷下的熱障涂層壽命預測的研究還很少。因此,作者以某重型燃氣輪機透平第一級動葉片用DZ411鎳基高溫合金為研究對象,采用超音速火焰和大氣等離子噴涂技術在該合金上制備了ZrO2-8Y2O3(質量分數/%,下同)熱障涂層,研究了該熱障涂層的高溫氧化性能和高溫氧化后的顯微組織,建立了熱障涂層高溫氧化壽命預測模型。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗原料:Metco 204NS型ZrO2-8Y2O3陶瓷粉末,由Oerlikon Metco提供,微觀形貌見圖1,該粉末為中空球形結構(HOSP)的團聚粉末,粒徑在22～45 μm,平均粒徑為33 μm;Amdry 365-1型Ni23Co17Cr12Al0.5Y合金粉末,由Oerlikon Metco提供,微觀形貌見圖2,粒徑在22～50 μm,平均粒徑為35 μm。基體材料為DZ411定向凝固鎳基高溫合金,尺寸為30 mm×10 mm×1.5 mm,表面進行干吹砂處理。

圖1 ZrO2-8Y2O3陶瓷粉末的微觀形貌Fig.1 Micromorphology of ZrO2-8Y2O3 ceramic powder: (a) low magnification and (b) high magnification

圖2 Ni23Co17Cr12Al0.5Y合金粉末的微觀形貌Fig.2 Micromorphology of Ni23Co17Cr12Al0.5Y alloy powder: (a) low magnification and (b) high magnification

采用DJ2700型超音速火焰噴涂(HVOF)設備在基體材料上噴涂厚度約為(130±20)μm的Ni23Co17Cr12Al0.5Y合金黏結層,空氣壓力為0.7 MPa,燃料丙烷壓力為0.8 MPa,燃料氧氣壓力為1.2 MPa,載氣為N2,壓力為1.2 MPa,噴涂距離為250 mm,噴槍行走速度為150 mm·s-1。采用APS-3000型大氣等離子噴涂(APS)設備在黏結層表面噴涂厚度約為(300±30)μm的ZrO2-8Y2O3陶瓷層,電壓為72 V,電流為530 A,主氣為氬氣,壓力為0.6 MPa,輔氣為H2,壓力為0.6 MPa,載氣為N2,流量為4.0 L·min-1,噴涂距離為120 mm,噴槍行走速度為25 mm·s-1。由圖3可知:陶瓷層、黏結層和基體之間均結合良好。黏結層表面相對平整,組織致密;陶瓷層由條帶狀或不規則顆粒狀的熔融粒子相互搭接逐層堆積而成,具有典型的層狀結構。

圖3 熱障涂層試樣截面微觀形貌Fig.3 Micromorphology of cross section of thermal barrier coating specimen

1.2 試驗方法

根據某重型燃氣輪機透平第1級動葉片在溫態啟動、熱態啟動、停機、變工況等運行工況下表面溫度分布計算結果,確定透平葉片表面熱障涂層高溫氧化溫度分別為940,1 030 ℃,氧化總時間為1 100 h。采用SX2-10-12型箱式電阻爐進行高溫氧化試驗,試樣放置在剛玉坩堝內,分別在氧化0,100,200,300,400,550,700,900,1 100 h后取出,冷卻至室溫,采用BSA224S-CW型精密分析天平稱取質量,計算試樣的氧化質量增加Δm,各測2個試樣取平均值。采用Hitachi S-3400N型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察氧化后試樣截面微觀形貌,采用配套的能譜儀(EDS)進行微區成分分析。

2 試驗結果與討論

2.1 微觀形貌

由圖4、圖5可見:在氧化100 h后,熱障涂層的黏結層與陶瓷層界面處出現了薄且連續的TGO層,EDS分析結果顯示其主要成分為Al2O3;隨氧化時間延長,TGO層厚度增大。等離子噴涂制備的陶瓷層有一定的孔隙率,外界環境中的氧元素會通過陶瓷層中的孔隙擴散到黏結層,與黏結層中的鋁元素反應生成一層致密的Al2O3膜[9];致密的Al2O3膜會阻止氧元素進一步進入黏結層內部,從而提高基體的抗氧化能力。

圖4 940 ℃氧化不同時間后熱障涂層試樣截面微觀形貌Fig.4 Micromorphology of cross section of thermal barrier coating specimens after oxidation at 940 ℃ for different time intervals

圖5 1 030 ℃下氧化不同時間后熱障涂層試樣截面微觀形貌Fig.5 Micromorphology of cross section of thermal barrier coating specimens after oxidation at 1 030 ℃ for different time intervals

2.2 高溫氧化性能

由圖6可見,2種溫度下熱障涂層的氧化質量增加Δm和TGO層厚度呈拋物線增長規律,二者的增大速率均隨氧化時間的延長而降低, 這與MILLER[10]

圖6 不同溫度氧化過程中熱障涂層試樣氧化質量增加和TGO層厚度的變化Fig.6 Change of oxidation mass gain (a,c) and TGO layer thickness (b,d) of thermal barrier coating specimens during oxidation at different temperatures

和DEMASI等[11]的研究結果相同。當氧化溫度為940 ℃時,氧化400 h內的Δm增大速率較高,氧化至400～700 h時增大速率減緩,氧化至700～1 100 h時Δm趨于不變。當氧化溫度為1 030 ℃時,氧化600 h內的Δm增大速率較快,氧化至600～1 100 h時增大速率減緩。總體上,熱障涂層在1 030 ℃下的Δm增大速率較940 ℃下高。熱障涂層的高溫氧化過程不僅是化學反應過程,也是物理擴散過程。氧化前期,鋁元素與氧元素反應生成致密的Al2O3膜,Δm增大速率較大;隨著氧化膜厚度的增加,氧元素通過Al2O3膜擴散或者鋁、鉻、鎳、鈷等元素通過Al2O3膜擴散到黏結層表面變得困難,Δm增大速率降低。

2.3 高溫氧化壽命預測模型

熱障涂層氧化引起的質量變化或氧化層厚度增加是涂層氧化的不同表現形式,其本質是一致的。一般TGO層厚度達到20 μm就可以認為涂層失效,因此選擇氧化層厚度試驗數據,建立熱障涂層氧化壽命預測模型。由前文可知,TGO層厚度δ的演化遵循氧化動力學的拋物線規律,與氧化時間滿足如下關系[12]:

δ=(kpt)1/2

(1)

式中:kp為氧化速率常數;t為氧化時間。

將試驗測得的TGO層厚度代入式(1)進行擬合計算,得到940,1 030 ℃下熱障涂層的kp值分別為0.023 42,0.030 36 μm2·h-1。

kp與1/T的關系曲線見圖7,kp與氧化溫度T存在如下關系:

圖7 熱障涂層氧化速率常數與溫度的關系Fig.7 Relationship between oxidation rate constant and temperature of thermal barrier coating

(2)

式中:R為氣體常數。

將式(2)代入式(1),可得熱障涂層TGO層厚度與氧化溫度和氧化時間的函數,即熱障涂層高溫氧化壽命預測模型,如下:

(3)

為驗證式(3)的準確性,開展驗證試驗,試驗溫度為1 000,1 200 ℃,氧化總時間為500 h,每間隔100 h測量TGO層厚度,每個時間點測2個試樣取平均值。由表6可知,由式(3)預測得到的TGO層厚度與試驗結果均在±2倍的分散帶內,說明建立的模型及分析方法能較好地預測熱障涂層的高溫氧化壽命。