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?xì)廨啓C(jī)是清潔高效火電能源系統(tǒng)的核心動(dòng)力裝備之一,是國(guó)家工業(yè)和科技水平、國(guó)防工業(yè)與軍事能力的重要標(biāo)志,被譽(yù)為“工業(yè)皇冠上的明珠”[1]。從燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展歷程來(lái)看,透平燃?xì)膺M(jìn)口溫度代表了燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)水平。目前,F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)膺M(jìn)口溫度為1 400 ℃,G/H/J級(jí)已達(dá)1 500～1 600 ℃,未來(lái)將達(dá)到1 700 ℃及以上,明顯高于高溫合金熔點(diǎn)(1 300 ℃),這對(duì)透平葉片的強(qiáng)度、設(shè)計(jì)及制造提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[2]。相比開(kāi)發(fā)更高等級(jí)的高溫材料和先進(jìn)氣膜冷卻技術(shù),熱障涂層(TBCs)技術(shù)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(lái)物沖蝕等對(duì)葉片造成的損傷,從而有效提升葉片的壽命和可靠性[3]。

燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組普遍參與電網(wǎng)的調(diào)峰,起停頻繁,使得燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件表面的熱障涂層在服役過(guò)程中不斷經(jīng)歷溫度循環(huán),易產(chǎn)生熱疲勞損傷,而且熱障涂層在服役過(guò)程中長(zhǎng)期經(jīng)受高溫?zé)煔鉀_擊,易發(fā)生高溫氧化。研究熱障涂層的失效機(jī)理以及建立合理的壽命預(yù)測(cè)模型,一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。研究[2,4]表明,熱障涂層典型的損傷形式有涂層開(kāi)裂、涂層剝落等,這些損傷是溫度循環(huán)和高溫氧化綜合作用的結(jié)果。RABIEI[5]和CHEN等[6]研究了氧化層存在時(shí)熱障涂層的破壞機(jī)制,發(fā)現(xiàn)熱障涂層的失效幾乎都產(chǎn)生于熱生長(zhǎng)氧化物(TGO)層或其附近(主要沿著TGO/黏結(jié)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(chǔ)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(guān)在透平葉片實(shí)際服役環(huán)境,特別是溫度載荷下的熱障涂層壽命預(yù)測(cè)的研究還很少。因此,作者以某重型燃?xì)廨啓C(jī)透平第一級(jí)動(dòng)葉片用DZ411鎳基高溫合金為研究對(duì)象,采用超音速火焰和大氣等離子噴涂技術(shù)在該合金上制備了ZrO2-8Y2O3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%,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(yù)測(cè)模型。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)原料:Metco 204NS型ZrO2-8Y2O3陶瓷粉末,由Oerlikon Metco提供,微觀形貌見(jiàn)圖1,該粉末為中空球形結(jié)構(gòu)(HOSP)的團(tuán)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(jiàn)圖2,粒徑在22～50 μm,平均粒徑為35 μm?；w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(jìn)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(shè)備在基體材料上噴涂厚度約為(130±20)μm的Ni23Co17Cr12Al0.5Y合金黏結(jié)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(shè)備在黏結(jié)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(jié)層和基體之間均結(jié)合良好。黏結(jié)層表面相對(duì)平整,組織致密;陶瓷層由條帶狀或不規(guī)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(jié)構(gòu)。

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(yàn)方法

根據(jù)某重型燃?xì)廨啓C(jī)透平第1級(jí)動(dòng)葉片在溫態(tài)啟動(dòng)、熱態(tài)啟動(dòng)、停機(jī)、變工況等運(yùn)行工況下表面溫度分布計(jì)算結(jié)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(shí)間為1 100 h。采用SX2-10-12型箱式電阻爐進(jìn)行高溫氧化試驗(yàn),試樣放置在剛玉坩堝內(nèi),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(zhì)量,計(jì)算試樣的氧化質(zhì)量增加Δm,各測(cè)2個(gè)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(jìn)行微區(qū)成分分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌

由圖4、圖5可見(jiàn):在氧化100 h后,熱障涂層的黏結(jié)層與陶瓷層界面處出現(xiàn)了薄且連續(xù)的TGO層,EDS分析結(jié)果顯示其主要成分為Al2O3;隨氧化時(shí)間延長(zhǎng),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(huán)境中的氧元素會(huì)通過(guò)陶瓷層中的孔隙擴(kuò)散到黏結(jié)層,與黏結(jié)層中的鋁元素反應(yīng)生成一層致密的Al2O3膜[9];致密的Al2O3膜會(huì)阻止氧元素進(jìn)一步進(jìn)入黏結(jié)層內(nèi)部,從而提高基體的抗氧化能力。

圖4 940 ℃氧化不同時(shí)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(shí)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(jiàn),2種溫度下熱障涂層的氧化質(zhì)量增加Δm和TGO層厚度呈拋物線增長(zhǎng)規(guī)律,二者的增大速率均隨氧化時(shí)間的延長(zhǎng)而降低, 這與MILLER[10]

圖6 不同溫度氧化過(guò)程中熱障涂層試樣氧化質(zhì)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(jié)果相同。當(dāng)氧化溫度為940 ℃時(shí),氧化400 h內(nèi)的Δm增大速率較高,氧化至400～700 h時(shí)增大速率減緩,氧化至700～1 100 h時(shí)Δm趨于不變。當(dāng)氧化溫度為1 030 ℃時(shí),氧化600 h內(nèi)的Δm增大速率較快,氧化至600～1 100 h時(shí)增大速率減緩?？傮w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(guò)程不僅是化學(xué)反應(yīng)過(guò)程,也是物理擴(kuò)散過(guò)程。氧化前期,鋁元素與氧元素反應(yīng)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(guò)Al2O3膜擴(kuò)散或者鋁、鉻、鎳、鈷等元素通過(guò)Al2O3膜擴(kuò)散到黏結(jié)層表面變得困難,Δm增大速率降低。

2.3 高溫氧化壽命預(yù)測(cè)模型

熱障涂層氧化引起的質(zhì)量變化或氧化層厚度增加是涂層氧化的不同表現(xiàn)形式,其本質(zhì)是一致的。 一般TGO層厚度達(dá)到20 μm就可以認(rèn)為涂層失效,因此選擇氧化層厚度試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立熱障涂層氧化壽命預(yù)測(cè)模型。由前文可知,TGO層厚度δ的演化遵循氧化動(dòng)力學(xué)的拋物線規(guī)律,與氧化時(shí)間滿足如下關(guān)系[12]:

δ=(kpt)1/2

(1)

式中:kp為氧化速率常數(shù);t為氧化時(shí)間。

將試驗(yàn)測(cè)得的TGO層厚度代入式(1)進(jìn)行擬合計(jì)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(guān)系曲線見(jiàn)圖7,kp與氧化溫度T存在如下關(guān)系:

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

(2)

式中:R為氣體常數(shù)。

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(shí)間的函數(shù),即熱障涂層高溫氧化壽命預(yù)測(cè)模型,如下:

(3)

為驗(yàn)證式(3)的準(zhǔn)確性,開(kāi)展驗(yàn)證試驗(yàn),試驗(yàn)溫度為1 000,1 200 ℃,氧化總時(shí)間為500 h,每間隔100 h測(cè)量TGO層厚度,每個(gè)時(shí)間點(diǎn)測(cè)2個(gè)試樣取平均值。由表6可知,由式(3)預(yù)測(cè)得到的TGO層厚度與試驗(yàn)結(jié)果均在±2倍的分散帶內(nèi),說(shuō)明建立的模型及分析方法能較好地預(yù)測(cè)熱障涂層的高溫氧化壽命。

表1 熱障涂層試樣TGO層厚度的試驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值

3 結(jié) 論

(1) 在940和1 030 ℃下氧化時(shí),熱障涂層的氧化質(zhì)量增加Δm和TGO層厚度呈拋物線增長(zhǎng)規(guī)律,二者的增大速率均隨氧化時(shí)間的延長(zhǎng)而降低;整體上熱障涂層在1 030 ℃下的Δm增大速率較940 ℃下高。

(2) 建立了熱障涂層高溫氧化壽命預(yù)測(cè)模型,預(yù)測(cè)得到的TGO層厚度處于±2倍試驗(yàn)值分散帶之內(nèi),說(shuō)明建立的模型及分析方法能較好地預(yù)測(cè)熱障涂層的高溫氧化壽命。