涡轮叶片热障涂层热腐蚀性能研究

第56卷第3期2014年6月汽轮机技术TURBINEIECHNOLOGYVOL_56NO3JUN2014涡轮叶片热障涂层热腐蚀性能研究姚青文，徐佰明哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046摘要热腐蚀性能是热障涂层最重要的性能指标之一，介绍了某型燃机涡轮叶片使用电子柬物理气相沉积技术EBPVD制备的某种热障涂层的显微组织结构，研究了其在两种熔盐腐蚀环境下的涂层失效机理。结果表明此涡轮叶片表面使用EBPVD制备的底层COCRAIY厚度120M陶瓷层厚度801XM的热障涂层热腐蚀性能良好。关键词涡轮叶片；EBPVD；热障涂层；热腐蚀分类号TG174453文献标识码A文章编号10015884201403023704RESEARCHESONHOTCORROSIONRESISTANCEOFTHERMALBARRIERCOATINGFORTURBINEBLADEYAOQINGWEN，XUBAIMINGHARBINTURBINECOMPANYLIMITED，HARBIN150046，CHINAABSTRACTTHERMALCORROSIONRESISTANCEISTHEMOSTIMPORTANTPERFORMANCEINDEXOFTHERMALBARRIERCOATINGTHISPAPERPRESENTSTHEMICROSTRUCTUREOFACERTAINTHERMALBARRIERCOATINGPRODUCEDWITHELECTRONBEAMPHYSICALVAPORDEPOSITIONEBPVDFORCERTAINGASTURBINEBLADESANDCONDUCTSRESEARCHESONCOATINGFAILUREMECHANISMINCORROSIVEENVIRONMENTWITHTWOKINDSOFMOLTENSALTSTHERESULTSSHOWTHATTHETHERMALBARRIERCOATINGCONSISTINGOF1201XMCOCRA1YPRIMERAND801MCERAMICCOATINGPRODUCEDWITHEBPVDTECHNOLOGYCANOFFERGOODHOTCORROSIONRESISTANCEFORTURBINEBLADESURFACEKEYWORDSTURBINEBLADE；EBPVD；THERMALBARRIERCOATING；HOTCORROSIONU日U吾电子束物理气相沉积EBPVD是以电子束为热源的一种蒸镀方式，它利用聚焦的高能电子束加热涂层材料，并使之快速熔化和蒸发，然后蒸汽沉积在一定的基体上。采用电子束物理气相沉积技术几乎可以蒸发所有物质，而且涂层与基体界面以冶金结合为主，结合力及稳定性非常好，特别是涂层组织为柱状晶结构，在冷热循环过程中，与基体一起膨胀和收缩而不脱落，比等离子喷涂涂层的寿命更长J，作为制备热障涂层的工艺而被广泛应用。由于坩埚通常采用水冷，因此避免了高温下蒸镀材料与坩埚的反应，还避免了坩埚放气污染涂层。热障涂层一般是由黏结层和耐热性好、隔热性好的陶瓷保护功能涂层组成的复合型金属陶瓷复合涂层系统，主要用于降低零部件表面的工作温度，避免高温氧化、腐蚀、磨损。因此，研究热障涂层的热腐蚀性能和热腐蚀失效机理尤为重要。1试验11基材及处理选用牌号K444的镍基高温合金作为基体材料，线切割加工成615RAM2MM的圆片。将上述高温合金依次用150号、400号、800号的SIC砂纸打磨，使其表面粗糙度RA08，然后依次用无水乙醇和丙酮进行超声波清洗，使用电子束物理气相沉积设备分别依次制备COCRA1Y陶瓷涂层的热障涂层，试片照片如图L所示。图1制备的试片照片12熔盐腐蚀试验本实验采用涂盐法研究EBPVD热障涂层的热腐蚀行为，选择两种类型的腐蚀剂分析纯VO和等摩尔比的分析纯NS04与分析纯V。O混合物。试验时，将腐蚀剂均匀涂覆在涂层试样表面，腐蚀剂浓度约为10MGCM。热腐蚀试验条件为800保温LOOH。13靶材成份131金属粘结层用真空感应熔炼的方法制得COCRA1Y锭子，将熔炼后的锭子用线切割的方法加工出645MM100MM的料棒，作为电子束物理气相沉积时的靶材。金属粘结层靶材成分如表1所示。收稿日期20130703作者简介姚青文1964一，男，高级工程师，从事汽轮机制造工艺研究工作。汽轮机技术第56卷出，腐蚀产物A是YVO，B是MZRO，涂层起到良好的保护作用。322VONASO熔盐环境下YSZ。热障涂层热腐蚀失效机理在本实验条件下，VONAS0混合物处于熔融状态，NAS0发生分解反应，由于液相VO的存在，分饵产生的NA2O将与VO发生如下的反应NA20ZV2O51一2NAVO312其中，NAVO的熔点为610C。本实验使用的腐蚀盐是由摩尔比LL的V0和NAS0构成，它们在900C时的反应可综合得到V205ZNA2SO4F一2NAVO3FSO3G3通过XRD、SEM和能谱观察可知，YSZ热障涂层在V2ONAS0熔盐环境下的热腐蚀产物为YVO和MZRO，其机理可通过式4来表述Y，0SINYSZ2NAVOF一2YVO4MZRO25N0Z4反应的结果是YSZ中作为稳定剂的YO，逐渐减少和腐蚀产物YVO的增多。众所周知，YSZ中TI相是由于YO，的稳定作用而得到，YO被消耗，将导致TZRO的产生，在随后的降温冷却过程中，T相发生相变转变成TT相，并伴随一定程度的体积膨胀，使得涂层内产生应力。VONASO环境下，YSZ热障涂层表面首先遭受较严重的热腐蚀而形成一层反应层。由于EBPVD热障涂层特有的柱状晶结构，热腐蚀过程中熔盐将沿柱状晶间隙向涂层内部扩散并进行式4的反应，反应的结果是YSZ中的稳定剂被消耗，产生块状的YVO和颗粒状的MZRO，使得涂层的柱状晶结构被破坏，涂层变得致密。根据上文的分析可知，由式3反应生成的SO，并不参与陶瓷层内的腐蚀反应，它将沿着陶瓷层缝隙和柱状晶间隙向TGO方向扩散。由式4反应生成的NA0也将向TGO扩散，由于扩散速率的差异，在TGO附近SO的分压较大，O活度相对较小，金属粘结层上的氧化膜发生酸性溶解，破坏了TGO层的完整性，而重新形成的氧化膜疏松多孔，对金属粘结层无保护作用，因而粘结层加速氧化和腐蚀，最终导致YSZ陶瓷层和粘结层界面开裂，引起涂层失效。4结论针对某型号汽轮机叶片使用电子束物理气相沉积EBPVD技术，采用特殊工艺制备的COCRA1Y涂层，并进行热处理；然后将YSZ料棒蒸镀在金属基体上制备出了YSZ涂层，并对涂层的熔盐热腐蚀性能及腐蚀机理进行了研究，得出以下结论1COCRA1Y涂层厚度约为120M，涂层与基体间界面清晰，结合紧密；涂层表面无气孔、局部过烧、超层和鼓泡、网状龟裂和微裂纹。2涂层在真空热处理后，涂层中的元素分布更加均匀，同时可以看出基体和涂层间的部分元素产生扩散，增加了涂层与基体的结合力，但并未产生再结晶。3采用EBPVD方法将YSZ料棒蒸镀在金属基体上制备出了YSZ涂层，涂层的厚度约为801XM，为典型的柱状晶结构，柱状晶主干内含有大量的羽毛柱状枝晶，枝晶间形成了纳米级的孔隙，有利于提高涂层的隔热性能。4VO熔盐腐蚀100H后，YSZ涂层的腐蚀产物为圆杆状的YV0和颗粒状的MZRO2，涂层结构由柱状晶变为颗粒状；V2ONAS0熔盐腐蚀LOOH后，YSZ涂层表面形成一层约5M的反应层，反应层由圆杆状腐蚀产物YVO和颗粒状腐蚀产物MZRO构成，涂层并未失效，对基体起到良好的保护作用。5针对此型号涡轮叶片采用该特殊工艺制备的热障涂层的热腐蚀性能良好。参考文献1刘海浪，王宝健，刘永丹，闫丰热障涂层的研究现状与进展J新技术新工艺，2008，592952PALMOLIANLASERNANOSTRUCTURINGOFEBPVDTHERMALBARRIERCOATINGSFORULTRALOWTHERMALCONDUCTIVITYJJOURNALOFMATERIALSSCIENCE，2OO7，4222949094943PINTBA，WRIGHTIG，BRINDLEYWJEVALUATIONOFTHERMALBARRIERCOATINGSYSTEMSONNOVELSUBSTRATESJJOURNALOFTHERMALSPRAYTECHNOLOGY，2OOO，921971994林峰，蒋显亮热障涂层的研究进展J功能材料，2003，343254261上接第228页于管道配汽、风机配风不均引起，在运行当中可以通过单独凋节各个单元风机转速和各个单元单独喷雾降温等方式，来降低热负荷不均匀所带来的背压升高的不利影响，提升整个空冷系统的换热性能。参考文献1王佩璋空冷技术在火力发电上的应用与发展J电站辅机，2006132382韩中合，马务，王智，等100OMW直接空冷机组凝汽器污垢热阻对热经济性影响特性研究J汽轮机技术，2013，5515154，583AECONRADIE，JDBUYS，DGKROGERPERFORMANCEOPTIMIZATIONOFDRYCOOLINGSYSTEMFORPOWERPLANTSTHROUGHSQPMETHODSJAPPLIEDTHERMALENGINEERING，1998，1812545JAVANROOYENDGKROGERPERFORMANCETRENDSOFANAIRCOOLEDSTEAMCONDENSERUNDERWINDYCONDITIONSJOURNALOFENGINEERINGFORGASTURBINESANDPOWER，2008，13