熱障涂層在地面重型燃?xì)廨啓C(jī)上的應(yīng)用

王榮國(guó)

清研瀚高科技（天津）有限公司 天津 300300

熱障涂層（Thermal Barrier Coatings）是一層陶瓷涂層，它沉積在耐高溫金屬或超合金的表面，熱障涂層對(duì)于基底材料起到隔熱作用，降低基底溫度，使得用其制成的器件（如發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片）能在高溫下運(yùn)行，并且可以提高器件（發(fā)動(dòng)機(jī)等）熱效率達(dá)到60%以上。

1 熱障涂層粘結(jié)底層材料

隨著時(shí)間的推移，我國(guó)已經(jīng)在金屬研究的過(guò)程中自行設(shè)計(jì)出了差生氣體霧化真空制粉裝置。同時(shí)在實(shí)施地面重型燃?xì)廨啓C(jī)噴涂過(guò)程中已經(jīng)使用了熱噴涂以及釬焊合金粉末的研制工作，這種制粉裝置的使用，其本身的冷卻的實(shí)際效果和速度下對(duì)較快，在較短的時(shí)間之內(nèi)就能行程微晶粉末，其本身的成分也現(xiàn)對(duì)較為均勻，同時(shí)制粉的所有過(guò)程都應(yīng)當(dāng)在真空的狀態(tài)下進(jìn)行全面的操作，其核心的雜質(zhì)含量相對(duì)較低，殘余的其他主要含量相對(duì)較低，最終效果呈現(xiàn)出顆粒狀球形的主要特點(diǎn)內(nèi)容。當(dāng)前這種技術(shù)本身已經(jīng)廣泛的使用在我國(guó)各類機(jī)械制造的過(guò)程之中，其中主要適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天發(fā)動(dòng)機(jī)、地面重型燃?xì)廨啓C(jī)等重要的領(lǐng)域之中。

當(dāng)煤在氣化爐中制備成為合成煤氣時(shí)，煤的蘊(yùn)儲(chǔ)能中只能有72%～84%的能量份額直接轉(zhuǎn)化為煤氣的發(fā)熱量，其余的20%～10%的能量份額將轉(zhuǎn)化為供聯(lián)合循環(huán)中蒸汽輪機(jī)作功用的蒸汽熱能，致使蒸汽輪機(jī)能多發(fā)一部分功率。在燃?xì)廨啓C(jī)中廣泛應(yīng)用帶陶瓷外層的涂層作為通流部分，首先是噴嘴葉片和工作葉片的熱和防腐蝕保護(hù)。這種保護(hù)涂層具有許多優(yōu)點(diǎn)。作為防止硫化物透入金屬底層表面的屏障過(guò)濾器，預(yù)防了葉片材料硫化-氧化腐蝕過(guò)程的發(fā)展。起熱保護(hù)屏障作用，因?yàn)闊嵴贤繉泳哂械偷膶?dǎo)熱性，使得部分沿壁面的總溫降在薄陶瓷層內(nèi)完成，從而降低了不穩(wěn)定工況下金屬的溫度并減小了沿葉片壁面的熱降。根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)各種運(yùn)行工況下利用小慣性傳感器得到的渦輪前燃?xì)鉁囟葦?shù)據(jù)，分析了熱力條件對(duì)具有陶瓷涂層的通流部分零件熱應(yīng)力狀態(tài)的>影響。葉片裝置破壞的分析表明金屬和涂層之間熱物理性質(zhì)明顯的差別會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力，促使出現(xiàn)>裂紋，陶瓷層層狀剝落和破壞并使防腐蝕和熱保護(hù)系統(tǒng)失效。這是十分危險(xiǎn)的，因?yàn)樗鼤?huì)使葉身迅速出現(xiàn)裂紋[1]。

2 熱障涂層的組織及性能

由于等離子焰流溫度相對(duì)較高，在噴涂粘結(jié)底層過(guò)程之中往往會(huì)造成元素的全面氧化和破壞，從而直接造成涂層實(shí)際性能質(zhì)量，而超音速火焰噴涂溫度只有少數(shù)，粒子飛行速度本身相對(duì)較快，往往就能直接避免出現(xiàn)上述現(xiàn)象的呈現(xiàn)，極大程度的增進(jìn)圖層的實(shí)際性能。在我國(guó)長(zhǎng)期的研究過(guò)沉重通過(guò)一定的合金粉末作為熱障涂層粘結(jié)底層噴涂材料，分別采用等離子噴涂和超音速火焰噴涂技術(shù)制備底層。兩種不同的配噴涂制備的粘結(jié)底層在最終呈現(xiàn)的動(dòng)力學(xué)結(jié)果。由此觀之超音速火焰涂層制備的粘結(jié)底層氧化增重明顯的小于等離子噴涂制備的粘結(jié)底層。而等離子制備粘結(jié)底層達(dá)到一定數(shù)量之后，可以觀察的值使用超音速火焰噴涂的方式極大程度的提升了粘結(jié)底層的高溫抗氧化的能力。

在實(shí)際的工作中為了提升地面重型燃?xì)廨啓C(jī)熱脹涂層的實(shí)際性能，在進(jìn)行涂層材料的選擇過(guò)程中很多設(shè)計(jì)人員會(huì)直接針對(duì)性的選擇復(fù)合型的金屬材料，在通過(guò)一定的熱障涂層技術(shù)從而直接應(yīng)用在地面重型燃?xì)廨啓C(jī)之上。而底層材料的直接選用和面層材料的選用，應(yīng)該選擇不同的技術(shù)進(jìn)行工作，分別采用超音速火焰和等離子噴涂技術(shù)手段在基體制備的過(guò)程中采用一定的氧化熱障涂層材料。

用于制金屬鋯和鋯化合物、制耐火磚和坩鍋、高頻陶瓷、研磨材料、陶瓷顏料和鋯酸鹽等主要用于壓電陶瓷制品、日用陶瓷、耐火材料及貴重金屬熔煉用的鋯磚、鋯管、坩堝等。也用于生產(chǎn)鋼及有色金屬、光學(xué)玻璃和二氧化鋯纖維。還用于陶瓷顏料、靜電涂料及烤漆。用于環(huán)氧樹脂中可增加耐熱鹽水的腐蝕。氧化鋯纖維是一種多晶質(zhì)耐火纖維材料。由于ZrO2物質(zhì)本身的高熔點(diǎn)、不氧化和其他高溫優(yōu)良特性，使得ZrO2纖維具有比氧化鋁纖維、莫來(lái)石纖維、硅酸鋁纖維等其他耐火纖維品種更高的使用溫度。氧化鋯纖維在1500℃以上超高溫氧化氣氛下長(zhǎng)期使用，最高使用溫度高達(dá)2200℃，甚至到2500℃仍可保持完整的纖維形狀，并且高溫化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕、抗氧化、抗熱震、不揮發(fā)、無(wú)污染，是目前國(guó)際上最頂尖的一種耐火纖維材料。ZrO2的耐酸堿腐蝕能力大大強(qiáng)于SiO2和Al2O3。不溶于水，溶于硫酸及氫氟酸；微溶于鹽酸和硝酸。能與堿共熔生成鋯酸鹽。等離子噴涂二氧化鋯熱障涂層在航空及工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)上的應(yīng)用已有很大進(jìn)展，在一定限度內(nèi)已經(jīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪部分。由于這種涂層可以降低氣冷高溫部件的溫度50～200℃，因此可以顯著地改善高溫部件的耐久性,或者容許提高燃?xì)鉁囟然驕p少冷卻氣體的需用量而保持高溫部件所承受的溫度不變，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率[2]。

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前的技術(shù)手段的支持下地面重型燃?xì)廨啓C(jī)本身正在向著高燃?xì)鉁囟?、高效率、高質(zhì)量、高穩(wěn)定性等方面逐漸的發(fā)展，這些方面的發(fā)展本身主要是受限于當(dāng)前燃?xì)廨啓C(jī)本身內(nèi)部的熱端部件的承溫能力之下，為此只有全面提升當(dāng)前熱端部件的承溫能力效果才能更好地推進(jìn)地面重型燃?xì)廨啓C(jī)的建設(shè)管理質(zhì)量。