重型燃?xì)廨啓C(jī)先進(jìn)熱障涂層研究進(jìn)展

■ 崔耀欣 汪超 何磊 張宏琦/上海電氣燃?xì)廨啓C(jī)有限公司

近年來，隨著節(jié)能環(huán)保壓力的增大，世界主要重型燃?xì)廨啓C(jī)制造商（OEM）都在積極開發(fā)先進(jìn)的高溫材料技術(shù)，進(jìn)一步提升重型燃?xì)廨啓C(jī)渦輪進(jìn)氣溫度（TIT），以實現(xiàn)更低排放和更高效率。其中，熱障涂層材料（TBC）技術(shù)研究作為重型燃?xì)廨啓C(jī)高溫材料技術(shù)攻關(guān)的核心環(huán)節(jié)，是提升重型燃?xì)廨啓C(jī)渦輪前溫度、延長渦輪葉片使用壽命的有效手段。

重型燃?xì)廨啓C(jī)作為高效的熱-功轉(zhuǎn)換裝置，廣泛應(yīng)用于民用發(fā)電領(lǐng)域。隨著發(fā)電用重型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及環(huán)境對污染物排放的嚴(yán)格限制，重型燃?xì)廨啓C(jī)正不斷向高效率、大功率、低排放的方向發(fā)展[1]。效率和功率的提高、排放的降低勢必需要提高渦輪進(jìn)氣溫度（TIT），使得熱端部件的設(shè)計對冷卻效果的要求越來越高，由此導(dǎo)致了冷卻結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，難以加工。目前，熱端部件所用的先進(jìn)單晶高溫合金的使用溫度大多已經(jīng)達(dá)到極限，而承溫能力更好的連續(xù)纖維陶瓷基復(fù)合材料還未成熟應(yīng)用。因此，采用熱障涂層（TBC）技術(shù)是目前燃?xì)廨啓C(jī)實現(xiàn)高效率、低排放和長壽命的唯一切實可行的有效途徑，是先進(jìn)重型燃?xì)廨啓C(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，重型燃?xì)廨啓C(jī)的TIT已達(dá)到1500℃，其工作溫度的提高對熱端部件結(jié)構(gòu)和材料的要求也越來越苛刻，需要更先進(jìn)的熱端部件冷卻設(shè)計和更先進(jìn)的高溫材料來適應(yīng)冷卻和工作溫度的需求。例如，雙層壁發(fā)汗式冷卻設(shè)計可以有效降低熱端部件基體材料的溫度，但是后續(xù)鑄造難度極大，會造成工藝成本急劇升高；陶瓷基復(fù)合材料代替高溫合金的可行性研究雖取得了可喜成績，但目前的技術(shù)成熟度還較低，應(yīng)用于重型燃?xì)廨啓C(jī)還需要更深入地開展工作。因此，從綜合因素分析，先進(jìn)熱障涂層是目前最為經(jīng)濟(jì)、可行的關(guān)鍵技術(shù)。

熱障涂層技術(shù)簡介

熱障涂層技術(shù)是將耐腐蝕黏結(jié)層、抗高溫的陶瓷層噴涂在基體金屬材

圖1 重型燃機(jī)發(fā)展趨勢[2]

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展趨勢

從燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展趨勢（如圖1所示）可以看出，燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)發(fā)展的趨勢始終是追求更高的效率、功率和工作溫度，以及更低的排放。

圖2 重型燃?xì)廨啓C(jī)典型熱障涂層的示意圖

圖3 等離子噴涂熱障涂層的循環(huán)壽命（1200℃，1h循環(huán)模式）

熱障涂層的開發(fā)和應(yīng)用情況

料上（如圖2所示[3]），利用陶瓷層的低熱導(dǎo)率特性，對基體金屬材料起到隔熱作用，從而降低基體的溫度，提高基體的使用壽命。由于基體金屬材料與陶瓷層的熱膨脹不匹配，如果直接將陶瓷層噴涂在金屬基體上，在熱應(yīng)力的作用下會導(dǎo)致涂層很快脫落。因此，為了解決膨脹系數(shù)的匹配度問題，需要在陶瓷層和基體之間形成一個過渡層，同時起著黏結(jié)陶瓷層和基體材料的作用，由于過渡層與基材和陶瓷層的結(jié)合力要非常好，因此也叫黏結(jié)層。在黏結(jié)層中，由于鉻（Cr）、鋁（Al）元素含量較高，抗熱腐蝕性好，因此對基材也起著熱腐蝕防護(hù)作用。黏結(jié)層、陶瓷層共同組成了熱障涂層防護(hù)體系，它的性能對熱端部件的服役壽命、承溫能力、燃?xì)廨啓C(jī)效率的提高都至關(guān)重要。因此，尋找抗熱腐蝕、抗氧化的黏結(jié)層材料和熱導(dǎo)率較低、承溫能力較高、高溫穩(wěn)定性較好的陶瓷材料是熱障涂層材料技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

目前，能用作燃燒室和渦輪等熱端部件熱障涂層的材料非常有限，這是因為熱端部件的工作環(huán)境非?？量?，除了溫度高，還有水蒸氣沖蝕、外來物顆粒浸蝕等影響，這對熱障涂層材料的熔點、高溫穩(wěn)定性、斷裂韌性、抗腐蝕性、熱膨脹系數(shù)匹配度和涂層結(jié)合力等都提出了嚴(yán)苛的要求?，F(xiàn)唯一廣泛商業(yè)化應(yīng)用的熱障涂層陶瓷材料是氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯（PYSZ 或YSZ），而且只有循環(huán)壽命最長的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～8%的氧化釔穩(wěn)定氧化鋯可用于重型燃?xì)廨啓C(jī)（如圖3所示[4]）。即便如此，它仍存在一些問題，即在工作溫度高于1200℃時，PYSZ會發(fā)生相變或燒結(jié)，伴隨著熱物理性能和力學(xué)性能退化，出現(xiàn)應(yīng)變?nèi)菹藿档秃土鸭y，造成TBC過快剝落失效。因此，為了適應(yīng)重型燃?xì)廨啓C(jī)的運行溫度不斷提升的要求，迫切需要開發(fā)先進(jìn)的熱障涂層材料，特別是陶瓷涂層材料。目前，投入市場運營的燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件使用的熱障涂層是具有幾十年應(yīng)用經(jīng)驗的MCrAlY+7～8YSZ體系。重型燃?xì)廨啓C(jī)制造商在TBC的應(yīng)用方面采用了不同的技術(shù)路線。

美國GE公司的TBC技術(shù)開發(fā)是從熱端部件防護(hù)性涂層開始。從20世紀(jì)70年代開始使用擴(kuò)散性的PtAl涂層，以提高第一級渦輪轉(zhuǎn)子葉片的抗熱腐蝕性；到80年代，逐漸被包覆性的MCrAlY涂層取代，這種包覆性的涂層既可以單獨作為防護(hù)性涂層，也可以用于TBC的黏結(jié)層，第一代MCrAlY涂層為PLASMAGUARD GT-29，相對于PtAl涂層，抗腐蝕性能提高了50%；到80年代中期，隨著燃?xì)廨啓C(jī)工作溫度的提高，越來越多的氧化問題開始出現(xiàn)，GE公司在GT29基礎(chǔ)上開發(fā)了LASMAGUARD GT-29PLUS，主要是提高了涂層外表面的Al含量；之后，GE公司對PLASMAGUARD GT-29做改進(jìn)，開發(fā)出了PLASMAGUARD GT-29PLUS，不僅提高了抗熱腐蝕性能，而且提高了抗氧化性；隨后開發(fā)的GT-33 IN-COAT和GT-33 IN-PLUS，用于更高工作溫度的熱端部件，相對于GT29系列除了具有更好的抗氧化性，還具有更好的抗開裂性能（如圖4所示）；PLASMAGUARD GT-43采用復(fù)合涂層方式，用來防止低溫?zé)岣g；此外，GE公司還開發(fā)了專門用于在高溫區(qū)工作的罩環(huán)表面的PLASMAGUARD GT-20涂層，這種涂層不僅具有良好的抗氧化性，而且還具有良好的耐磨性[5]。

1987年，GE公司開始使用TBC涂層，黏結(jié)層采用低壓等離子噴涂（LPPS）或真空等離子噴涂（VPS）工藝，陶瓷層采用APS或電子束物理氣相沉積（EB-PVD）噴涂的PYSZ[6]。隨著對先進(jìn)TBC技術(shù)的需求的提高，GE公司通過參與美國先進(jìn)渦輪系統(tǒng)（ATS）計劃，從噴涂工藝控制涂層結(jié)構(gòu)入手，開發(fā)了致密垂直涂層（DVC）技術(shù)[7]，以提高熱障涂層的壽命，這一技術(shù)計劃應(yīng)用于9FB和H級燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組上。

德國西門子公司在重型燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件上應(yīng)用的熱障涂層黏結(jié)層材料有SICOAT2231、SICOAT2453和SICOAT2464等3種。其中SICOAT2231是鈷基MCrAlY，其他兩種是含錸（Re）的鎳基MCrAlY。該類涂層具有良好的抗氧化性和較長的高溫服役壽命。陶瓷層采用SICOAT 10464和SICOAT 20464。SICOAT 10464是在傳統(tǒng)的PYSZ基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的材料，相對傳統(tǒng)YSZ具有更好的性能。SICOAT 20464相對SICOAT 10464具有更好的抗性能退化和耐高溫能力，熱導(dǎo)率降低了30%，燒結(jié)率明顯降低[8]。在熱障涂層制備工藝上，西門子公司的黏結(jié)層采用氧氣助燃超聲速火焰噴涂（HVOF）或VPS工藝，陶瓷層采用APS工藝。

西門子公司同樣是通過美國的ATS計劃，參與到先進(jìn)的TBC體系開發(fā)中的，其目標(biāo)是滿足超過24000h的服役壽命。試驗證明其先進(jìn)熱障涂層不僅具有更高承溫能力，而且具有抗高溫度梯度能力[9]。

圖4 GE公司涂層性能對比[11]

三菱重工的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)是在引進(jìn)美國西屋公司技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。從1984年開始，三菱重工將TBC技術(shù)引進(jìn)到燃燒室，隨后又逐漸應(yīng)用到渦輪。為了滿足J級和1700℃燃?xì)廨啓C(jī)工作溫度的需求，三菱重工選擇開發(fā)新型陶瓷涂層作為方向。其最終選取了燒綠石結(jié)構(gòu)和四方相結(jié)構(gòu)兩種新型熱障涂層材料進(jìn)行篩選[10]。研究結(jié)果顯示，新型熱障涂層具有更高的高溫穩(wěn)定性，燒綠石結(jié)構(gòu)的熱障涂層材料的熱導(dǎo)率相對于傳統(tǒng)的7YSZ熱障涂層的熱導(dǎo)率降低了20%；四方相結(jié)構(gòu)的熱障涂層材料的循環(huán)壽命提高了1倍還要多。通過在M501GTV1上的工業(yè)噴涂，經(jīng)過10000h的現(xiàn)場測試后，兩種材料結(jié)果反饋都非常好[11]。

意大利安薩爾多能源（AEN）公司在重型燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的熱障涂層黏結(jié)層材料有SV20、SL20和SH20[12]和SV349。前3種黏結(jié)層主要用于渦輪葉片，最后1種黏結(jié)層用于燃燒室。陶瓷層采用傳統(tǒng)的7～8YSZ。黏結(jié)層采用VPS噴涂技術(shù)，陶瓷層采用APS噴涂技術(shù)。

為了滿足技術(shù)發(fā)展需求，AEN公司先后參與歐洲TBC-PLUS計劃和TOPPCOAT計 劃[13]。 前 者 主 要解決材料問題，目標(biāo)是至少提高燃?xì)廨啓C(jī)工作溫度50℃，TBC承溫能力超過1200℃。該項目采用APS和EB-PVD兩種工藝，對先進(jìn)TBC材料進(jìn)行了測試和篩選。后者主要是解決涂層結(jié)構(gòu)問題，通過工藝調(diào)控，提高熱障涂層的熱循環(huán)壽命，同時可以控制熱障涂層制造成本。

從上可見，在熱障涂層技術(shù)發(fā)展前期，主要是開發(fā)黏結(jié)層材料，以滿足抗熱腐蝕的要求。隨著TIT的不斷提升，燃?xì)廨啓C(jī)制造商開始考慮開發(fā)先進(jìn)陶瓷材料，以滿足降溫和抗氧化的需求。

國內(nèi)在熱障涂層技術(shù)方面，一方面是各學(xué)術(shù)研究單位緊跟國際熱障涂層技術(shù)發(fā)展步伐，開始在先進(jìn)熱障涂層技術(shù)方面深入研究；另一方面是各重型燃?xì)廨啓C(jī)OEM開展傳統(tǒng)熱障涂層噴涂技術(shù)攻關(guān)，并在此基礎(chǔ)上和高校研究機(jī)構(gòu)合作開發(fā)先進(jìn)熱障涂層。

圖5 用于激光熱沖擊和爐熱循環(huán)的試樣

作為重型燃?xì)廨啓C(jī)制造商，上海電氣和AEN公司自2014年開展戰(zhàn)略合作，已掌握F級重型燃?xì)廨啓C(jī)傳統(tǒng)熱障涂層的制備技術(shù)及特種加工技術(shù)，正在積極開發(fā)先進(jìn)熱障涂層材料。目前已經(jīng)完成了先進(jìn)熱障涂層材料粉體制備、噴涂工藝和激光熱沖擊測試，不同的測試采用了不同的試樣（如圖5所示）。研究結(jié)果顯示，由于涂層失效機(jī)理發(fā)生了變化，先進(jìn)雙層熱障涂層結(jié)構(gòu)的激光熱沖擊壽命相對單層的傳統(tǒng)的PYSZTBC提高了約38%。

結(jié)束語

先進(jìn)熱障涂層要求能夠在1200℃以上長時工作，因此要求先進(jìn)熱障涂層具有較好的高溫穩(wěn)定性、較低的熱導(dǎo)率和較好的抗熱腐蝕性。因此，重型燃?xì)廨啓C(jī)先進(jìn)熱障涂層未來的研究方向主要是：高溫穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率低、抗燒結(jié)的新型熱障涂層材料研究；抗高溫氧化、抗熱腐蝕、匹配高溫合金基體的黏結(jié)層材料研究；高質(zhì)量、重復(fù)性好的熱障涂層粉末和噴涂技術(shù)研究；可靠、先進(jìn)的涂層檢測技術(shù)研究；準(zhǔn)確的服役特性分析和準(zhǔn)確的壽命評估方法研究。

雖然我國已經(jīng)突破了應(yīng)用于F級重型燃?xì)廨啓C(jī)YSZ/MCrAlY熱障涂層材料和制備關(guān)鍵技術(shù)，但仍面臨著工藝穩(wěn)定和應(yīng)用經(jīng)驗等挑戰(zhàn)。建議國內(nèi)產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合，盡快實現(xiàn)先進(jìn)熱障涂層工程應(yīng)用。

（崔耀欣，上海電氣燃?xì)廨啓C(jī)有限公司，高級工程師，主要從事燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)研究）