干货丨一文了解重型燃气轮机涡轮叶片的“金钟罩”——热障涂层

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一、前言

重型燃气轮机因为比较高的热功转换效率，是能源发电和舰船驱动领域最为核心的设备，因为高级别重型燃气轮机的研制技术极为复杂，所以重型燃气轮机也被称为中国工业和船舶制造领域的动力心脏。截止到目前为止，中国已经成功研制出了50兆瓦级重型燃气轮机，实现了F级50兆瓦重型燃气轮机从无到有的突破。目前中国在重型燃气轮机三大体系的构建上日趋完善，实现了原型设计、设备制造和试验交付的三位一体。中国也成为了全球第五个完整掌握重型燃气轮机设计制造技术的国家。

为提高燃气涡轮机叶片的抗高温氧化和抗腐蚀性能，延长其使用寿命，早在二十世纪50年代由美国NASA（National Aeronautics and Space Administration）-Lewis研究所提出热障涂层概念，在涂层的材料选择和制备工艺上进行了较长时间的探索。在80年代初取得了重大突破，为热障涂层的应用奠定了坚实基础。

二、热障涂层

热障涂层通常由金属粘结底层和陶瓷面层组成，粘结底层通常采用MCrAlY（M为Ni、Co或Ni+Co）合金，主要担负着过渡热不匹配、抗氧化、抗腐蚀的多重功效，而陶瓷面层通常采用Y2O3稳定的ZrO2，主要起隔热作用，因其具有良好的抗高温氧化性、抗冲刷性和隔热性等特点，已成为目前国内外地面重型燃气轮机最先进的高温防护涂层之一。

随着航空工业的发展，涡轮发动机的推重比越来越高，涡轮前进口温度也越来越高。根据国内外材料的研究历程，在短时期内通过提高材料的使用温度来实现涡轮叶片耐高温能力大的提升具有相当大的难度，可行的方法是在涡轮叶片基体上沉积热障涂层以提高其使用温度。未来热障涂层技术的发展将着重研究以下几个方面：

①研究适用于下一代超声速发动机的新的热障涂层材料体系，寻找能替代ZrO2的、具有更好相稳定性、更低烧结速率和导热系数的陶瓷材料是其中的关键。

②对现有涂层体系的材料及制备工艺的优化研究和机理研究，包括对Y黏结层的成分、YSZ陶瓷新的稳定氧化物的选择及涂层微观结构的改进和优化，以及对梯度涂层技术的进一步研究，从而提高涂层的工作温度、使用寿命和隔热性能。

③热障涂层隔热效果研究，通过实验模拟测试涂层的隔热情况即温度梯度，并结合传热学理论，根据涂层材料的导热系数、预期的隔热效果及热端部件的工作环境，为合理设计涂层厚度提供依据，也为涂层的改进提供方向。

④热障涂层寿命预测模型的进一步研究，若将热障涂层应用于涡轮发动机高危险部位，必须建立发动机寿命预测系统以保证安全。因此，进一步研究热障涂层剥落失效机理及服役条件下的力学行为等，建立较为完善的寿命预测模型，从而较为准确地评估涂层的服役寿命，为热障涂层的实际应用提供可靠的保障。

⑤发展新的涂层性能检测技术，尤其是无损检测技术，准确表征涂层与基体的结合力、涂层开裂程度、相变程度等性能，更好地实现对涂层质量的控制。

三、热障涂层监测

热障涂层主要由金属粘结底层和陶瓷面层组成，结构复杂。其元素含量和分布信息可用辉光放电质谱仪进行检测。

辉光放电质谱仪（GDMS）是分析高纯物质的工业标准之一。它被广泛应用于高纯物质的元素定量分析，包括微电子工业上高纯材料中的痕量级掺杂剂和杂质分析；纯金属材料、合金材料、超导体材料中的主量成分和痕量成分分析；其他领域内的块状氧化物粉末分析以及无机材料绝缘体分析。除了元素的定量分析还可用于材料的剥层分析。

采用GDMS实现TGO层纵向分布分析（～100微米）