CN1422974A - 阻止燃气轮机叶片表面腐蚀的涂层配方与工艺 - Google Patents

Abstract

一种阻止燃气轮机叶片表面腐蚀的涂层配方与工艺,适用于使用廉价燃料的燃气轮机叶片。其涂覆的主要工艺步骤是；先将MCrAIY作为结合层涂覆在叶片表面上增强附着力,然后将叶片加热到1200℃,用等离子体喷镀方法涂覆1－4微米厚度的多孔陶瓷,紧接着涂覆致密陶瓷。多孔陶瓷和致密陶瓷都是经过氧化钇稳定化处理的氧化锆。在此过程中,叶片的温度始终控制在500℃左右。上述陶瓷涂层内部应力,在高达1200℃温度仍然保持在压缩状态中。叶片的材料可以采用镍基超耐热合金制造。

Description

阻止燃气轮机叶片表面腐蚀的涂层配方与工艺

技术领域：

本发明涉及到一种保护燃气轮机叶片，延长其使用寿命的涂层配方及工艺，尤其是一种耐剥落陶瓷涂层的表面喷涂配方与工艺。

背景技术：

在使用廉价燃料的燃气轮机中，由于部分叶片工作在不同的温度范围，并且燃料中含有钒酸盐有害物质，会在叶片上形成腐蚀性很强的熔融盐沉积物。现有技术为了降低对叶片的腐蚀性，采用扩散涂层(铝化铂)作表面涂层。利用密封扩散、等离子喷镀、电子束直接蒸汽喷镀，或者使用高铬或含贵金属的涂层，涂覆整个翼面达到耐腐蚀。但在这些金属涂层的表面上，硫酸钴-镍与硫酸钠形成液态薄膜，会严重腐蚀涂层最后腐蚀叶片的基底合金。此外，某些涂层例如Co、Cr、AI、和氧化铂，在1300℃左右的温度下延展性差，会发生破裂使熔融硫酸盐与高应力作用下的基底合金接触。因为这个范围与高应力区域一致，腐蚀和应力的叠加作用会导致表面机械性能的降低，也就是通常称为II-型低温热腐蚀过程。

另外，还有一种在燃气轮机叶片表面涂覆热阻挡层工艺，这种涂层虽然具有耐腐蚀，但涂层相当厚，目的是在气流与金属叶片之间形成温降。这种热阻挡层一般由致密的陶瓷外层，多孔陶瓷中间层和MCrAIY(此处的M是钴和镍)结合层构成，其典型厚度为20-30微米。但这种涂层的缺陷在于；涂层中容易产生裂缝导致剥落，反而吸附了对叶片金属表面有害的熔融盐一类的腐蚀性化合物。

发明内容：

本发明的目的是，改进现有燃气轮机叶片的表面涂层，使之在1300℃温度下延展性好，无裂缝，并且对熔融盐沉积物具有很强的抗剥落和耐蚀性，不产生II-型低温热腐蚀，延长叶片使用寿命。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是；

在燃气轮机叶片温度达到可以存在低熔点的硫酸盐，钒酸盐和氯化物时，令人意想不到的是，1-4微米厚的陶瓷阻挡层不太容易破裂。其具体的涂覆工艺是，首先在叶片翼面上涂覆增强附着力的底涂层作结合层，该结合层的材料是在高于1100℃温度时的任何氧化铝形成物.根据实验对比结果，该结合层材料最好是MCrAIY。根据大量的实验对比发现，使涂层保持很薄和将陶瓷涂层涂覆到叶片的涂覆过程中，叶片的温度控制在至少1200℃，这对于涂层的寿命至关重要。其具体涂覆工艺是，应当通过低压或氩气保护以及等离子体喷涂等一类技术涂覆涂层的结合层，以便金属结合层内部具有最少结合空隙的显微结构。该结合层应该约为5微米厚，通过溅镀或者离子喷镀以及电子束直接蒸汽喷镀等方式，形成上述结合层。这种结合层在适当的1100℃低温区具有一定延展性，应该耐熔融硫酸盐沉积物的化学浸蚀。然后在结合层外面再涂覆多孔陶瓷，最后在多孔陶瓷外层涂覆致密陶瓷。多孔陶瓷和致密陶瓷都经过氧化钇稳定化处理的氧化锆。多孔部分是一个过渡区，它几乎没有什么热膨胀性，由于它很薄，也没有绝热性。

极薄的1-4微米厚度的陶瓷涂层是相当抗剥落和耐腐蚀的，该涂层不作为热阻挡层，因为它厚度不够，不会造成相当的温降。

多孔陶瓷起到一个所谓热膨胀过渡的作用，它的厚度也是相当薄的。另外，该陶瓷涂层必须要抗渗透，应足够将碱-碱土氧化物-钒酸盐沉积物同可以在涂层衬底接触面处形成的氧化钴和氧化镍隔离开来，从而防止形成硫酸钴和硫酸镍。此外，如果由于铅、锌、镉、锰和钒(也可能铜和磷)的存在，而形成较低熔点的硫酸盐基液体。陶瓷阻挡层必须将上述液体同衬底隔离，而陶瓷阻挡层自身对这种腐蚀性液体也是耐化学浸蚀的。

叶片的材料至少设计成能够在1100℃度-1500℃度温度范围内工作，并设计成能够使用含杂质的燃料，其要点在于，叶片在温度达到至少约1200℃，涂布1-4微米厚的陶瓷涂层在1250℃-1500℃度温度范围内工作状态中，使得陶瓷涂层内部的应力保持在压缩状态中。

本发明的有益效果，已经被下例对比实验作出有力说明。将空心的超耐热合金园柱体涂覆5微米厚的镍合金结合层，上述镍合金层按照重量计算，含有20％铬，10％铝和约0.5％钇。然后涂覆一层8％的氧化锆、氧化钇等离子体喷镀的陶瓷层。一个圆柱体的涂层厚度为4微米，而第二个圆柱体的涂层厚度为12微米。

将上述样品用气冷式夹具固定，放置于燃烧装置中，并用搀加海盐和掺加海盐及铅的两种2号蒸馏燃料产生的燃烧产物，来试验涂覆陶瓷的样品。未涂覆的超耐热合金样品，用低压等离子体喷涂覆盖MCrAIY组合物和各种扩散涂层(铝化铬，铝和铝化铂)。将气体温度保持在1900℃，金属温度在1100℃至1500℃之间。通入热循环气流，气流被加热55分钟和强迫冷却5分钟，样品被试验300小时(始终处于热循环过程中)进行测试。12微米厚的陶瓷涂层开始剥落的时间为100小时，4微米厚的陶瓷涂层直到试验300小时结束，始终抗住了剥落。在12微米厚涂层的剥落区域内的硫酸盐沉积物显示出了与结合层反应的可见痕迹，4微米厚的涂层完全看不出剥落或与硫酸盐基沉积物的反映。未涂覆陶瓷的超耐热合金和金属-超耐热合金显示出不同程度的II-型腐蚀。最好的结合层金属组合物是经等离子体喷镀的含(按重量计算)20％钴，40％铬，5.5％铝和0.5％钇的镍。另外，也可以使用含30％钴、23％铬、8.5％铝和0.5％钇的镍，以及含铬、铝与钇的铁一类的其它结合层。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图是叶片涂覆了保护层的横截面。

附图中，1是燃气轮机叶片，2是叶片翼面上结合层，3是多孔膨胀层，4是致密外层。

具体实施方式：

在附图所示的叶片上，首先涂覆MCrAIY结合层，然后加热叶片到约1200℃，然后涂覆多孔陶瓷，紧接着涂覆致密陶瓷，多孔陶瓷和致密陶瓷都是经过氧化钇稳定处理的氧化锆。在涂覆多孔陶瓷和致密陶瓷的过程中，叶片的温度始终控制在1200℃。

参照附图，截面中1表示燃气轮机叶片，在叶片的翼面部分上有结合层2，多孔膨胀层3和致密外层4，叶片的根部不涂覆涂层。因为翼面下半部是关键区域，该区域大部分工作温度范围在1250℃-1500℃，要求只在最靠近翼面部分根部的下半部涂覆本发明的涂层。叶片系指无论是运动的还是静止的，有时称为浆翼是静止部分，经常采用钴基超耐热合金，而运动部分是镍基超耐热合金。

在1100℃-1500℃温度范围，叶片翼面发生了通常称为II-型低温热腐蚀过程，因为这个范围与高应力区域一致，腐蚀和应力的叠加作用，导致叶片表面敏感部分的机械性能的降低。叶片的结合层应该具有适当的低温(低于1100℃)延展性，应该耐熔融硫酸盐沉积物的化学侵蚀，并应该是高于1100℃温度时的氧化铝形成物。这些组合物包括：(按照重量计算)20％钴、40％铭、5.5％铝、0.5％钇(在没有硅添加物的条件下)的镍基NiCrAlY结合层，也可以使用FeCrAlY结合层。

涂覆的陶瓷部分也可以是经氧化钇稳定化处理的氧化锆。最好是已经相当抗循环热应力的等离子喷镀的陶瓷，含有20％孔隙率(指体积)的热涂层，具有最好的抗热冲击性。已表明，更低的孔隙率会缩短热应力下的使用寿期。当综合考虑阻挡层效果时，如果陶瓷涂层的孔隙分布在与金属表面连接处，并且涂层内部具有抗热应力的孔隙，则陶瓷部分需要同时具有多孔的致密层。可以通过控制细颗粒陶瓷的等离子体喷镀，或通过涂覆单层多涂层，然后激光溶化表面提供致密外层，从而实现上述要求。

陶瓷组合物并不限于氧化钇稳定处理的氧化锆，也可以是氧化铝、氧化钙-二氧化锆、氧化镁-二氧化锆或其它络合陶瓷氧化物，该络合陶瓷氧化物在温度高达1450℃时具有相当稳定性，并且在硫酸钠-氧化铅-氧化钠熔融盐中也显示出化学稳定性。

根据实验对比分析表明，陶瓷涂层最小厚度必须为1微米，最大厚度必须为4微米。多孔部分应在0.5微米和3.5微米之间，而致密部分应该在0.5微米之间。

涂覆陶瓷部分叶片预加热到1100℃以上，是为了在以后使用过程的最高温度下，由于陶瓷和基底合金之间热膨胀不均，先使叶片下部分陶瓷处于微小的压缩状态中。这样在热循环和使用过程中陶瓷涂层的剥落倾向减至最小。这就是这种薄层比厚涂层显示的抗剥落性。按照本文所述方法涂覆陶瓷时，在操作期间陶瓷涂层的应变是小于多孔陶瓷的极限弹性应变(名义上是0.4％的应变)。

最好只在设计的工作温度低于约1500℃的叶片的那部分上涂覆陶瓷涂层。为达到这一目的，可以将不需涂层的表面区域进行封闭。按照等离子体喷镀法涂覆的涂层具有超过100RMS的粗糟表面。操作时很容易污染表面。如果在表面温度下存在的外来物质未能发挥或烧掉，就会增加陶瓷阻挡层过早损坏的机会。这些物质是碳氢化合物、铅、锌、铜和卤基盐。粗糟表面也会捕集碰撞粒子，从而增加沉积物聚集的速率。这会影响热传导和气流的气体动力学。因为致密外涂层有可能移动。所以应该仔细地进行陶瓷涂层的任何精加工(不应该滚磨抛光涂层)。如果确实需要进行较大的最后精加工，就必须重新填充外涂层，以防止孔隙。

尽管薄的陶瓷涂层与厚的涂层比较不易破裂，但在叶片金属组合物内部如果存在应变力超过涂层的有效弹性极限，涂层仍可能破裂。事实上。不应该将涂层涂覆到工作温度较高，使得涂层产生较大张力并且应变超过有效弹性极限的区域。涂层在略低于操作温度时，会处于一种压缩状态中。衬底温度可以大于1200℃，并且只受温度对基底合金的作用的限制。上述薄陶瓷涂层被涂覆在涂层将仍然保持在压缩或微小张力状态温度时的区域内，以便适应随后由于加热时的不同热膨胀、涂覆陶瓷期间加热衬底而产生的应变。在涂覆涂层时，通常应该将涂层只涂覆在工作温度比衬底温度高不到200℃-300℃的区域内(因而，如果在1600℃的衬底温度条件下涂覆陶瓷，应该将涂层只涂覆在工作温度低于1900℃的区域内，最好是低于1850℃的区域内)。如果在十分接近于最高温度时进行涂覆，则可以涂覆整个翼面。

本发明的涂覆工艺是专为旋转零件而设计，因为这些零件工作于高速度旋转的附加应力中，但也可以用于静止零件的防腐。

Claims (7)

1.阻止燃气轮机叶片表面腐蚀的涂层配方与工艺，叶片的通常工作温度保持在1100℃-1500℃的范围内。并适宜能够使用含腐蚀性杂质的廉价燃料，其特征是：加热上述叶片的温度控制在至少1200℃范围，在上述叶片的表面上至少喷涂了一层1-4微米厚度的陶瓷涂层。

2.根据权利要求1所述的叶片，其特征是，在涂覆陶瓷涂层之前，首先要在叶片金属表面上涂覆增强附着力的结合层，该结合层是大于约1100℃温度时的任何氧化铝形成物。

3.根据权利要求2的工艺，其特征是，结合层是MCrAlY。

4。根据权利要求1和2和3的工艺，其特征是，1-4微米厚度的陶瓷是经氧化钇稳定化处理的氧化锆。

5.根据权利要求1和2和3的工艺，其特征是，通过等离子体喷镀方法涂覆陶瓷涂层。

6.根据权利要求1或2的工艺，其特征是，用镍基超耐热合金制造叶片。

7.根据权利要求1或2的工艺，其特征是，上述陶瓷涂层在高达至少1200℃温度范围内，陶瓷涂层仍然保持在压缩状中。

Images