中國(guó)粉體網(wǎng)訊 重型燃?xì)廨啓C(jī)是21世紀(jì)能源高效轉(zhuǎn)換與潔凈利用系統(tǒng)的核心動(dòng)力裝備，因其設(shè)計(jì)、制造難度極大而成為一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平的集中體現(xiàn)，具有技術(shù)密集度高、產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)面廣、軍民結(jié)合屬性強(qiáng)等特點(diǎn)。
受核心技術(shù)門(mén)檻高、產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)歷史性因素的作用，國(guó)際上形成了行業(yè)巨頭高度壟斷的重型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)與行業(yè)發(fā)展格局。
2月28日，工信部傳來(lái)好消息，我國(guó)自主研制的300兆瓦級(jí)F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)首臺(tái)樣機(jī)在上海臨港總裝下線。據(jù)悉，300兆瓦級(jí)F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)是我國(guó)首次自主研制的最大功率、最高技術(shù)等級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)，對(duì)我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)基礎(chǔ)學(xué)科進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展具有顯著的帶動(dòng)輻射作用，對(duì)保障我國(guó)能源安全和綠色發(fā)展具有重要意義。
葉片材料
就工作原理而言，重型燃?xì)廨啓C(jī)是一種高速旋轉(zhuǎn)的葉輪機(jī)械，通過(guò)壓縮、加熱、膨脹、放熱4個(gè)熱力過(guò)程將燃料的化學(xué)能以及流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)力；燃?xì)獬鯗�、壓氣機(jī)壓比是影響燃?xì)廨啓C(jī)效率的主要因素。
重型燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)熱效率的關(guān)鍵參數(shù)是透平初溫，透平前燃?xì)鉁囟让刻岣?00℃，可提高燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率20％～25％，同時(shí)節(jié)省燃料6％～7％。因此，具有極高承溫能力的渦輪葉片是燃?xì)廨啓C(jī)最為核心的部件。
渦輪葉片的工作環(huán)境惡劣，通常需要長(zhǎng)時(shí)間在高溫高壓、交變應(yīng)力場(chǎng)、振動(dòng)載荷、高溫氧化和混合燃?xì)飧g等苛刻環(huán)境的耦合作用下服役，同時(shí)面臨蠕變、低周疲勞以及高溫?zé)岣g等微觀組織和表面涂層損傷的風(fēng)險(xiǎn)，因而渦輪葉片的綜合性能優(yōu)化是提升燃?xì)廨啓C(jī)效率、延長(zhǎng)其壽命的關(guān)鍵。
重型燃?xì)廨啓C(jī)葉片材料由早期的承溫能力較低的鐵基高溫合金、高成本鈷基高溫合金，發(fā)展為現(xiàn)在主流的鎳基高溫合金。
鈷基高溫合金，具有較高的熔點(diǎn)，同時(shí)含有較多的Cr元素，因而具有優(yōu)異的抗高溫氧化性能和耐熱腐蝕性能，由于鈷基高溫合金中碳化物起主要強(qiáng)化作用，穩(wěn)定的碳化物使鈷基高溫合金具有更好的高溫持久強(qiáng)度、抗冷熱疲勞性能和焊接性能，但其因成本較高，通常僅應(yīng)用于透平導(dǎo)向葉片。
鎳基高溫合金材料，因其優(yōu)異的高溫組織穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益等，在商業(yè)化燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的大范圍使用中占得先機(jī)。
重型燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片用鎳基高溫合金的主要成分
熱障涂層
渦輪葉片的高溫防護(hù)涂層的發(fā)展主要經(jīng)歷了3個(gè)階段，即熱擴(kuò)散涂層、MCrAlY包覆涂層以及熱障涂層(Thermal Barrier Coatings，TBCs)。
熱障涂層具有降低葉片表面溫度、提高葉片抗高溫氧腐蝕能力、延長(zhǎng)葉片服役壽命等優(yōu)點(diǎn)，是與先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料技術(shù)、高效冷卻技術(shù)并重的渦輪葉片關(guān)鍵技術(shù)之一。并被國(guó)際公認(rèn)為重型燃?xì)廨啓C(jī)制造的尖端技術(shù)。
研究表明，通過(guò)熱噴涂技術(shù)將100~500 um的熱障涂層沉積在渦輪葉片表面，可以避免高溫燃?xì)馀c重型燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片直接接觸，使表面溫度降低約100~300℃，從而使重型燃?xì)廨啓C(jī)安全服役。
熱障涂層是一種多層結(jié)構(gòu)，分為表面陶瓷層(TopCeramic Coating，TC)、熱生長(zhǎng)的氧化物(Thermal GrownOxide，TGO)、粘結(jié)涂層(Bond Coating，BC)和高溫合金基底(Substrate，SUB)。
熱障涂層及其微觀結(jié)構(gòu)
粘結(jié)層材料
粘結(jié)層主要作用是將陶瓷層和高溫合金基底粘結(jié)起來(lái)，緩解陶瓷層和基底的熱膨脹失配產(chǎn)生的應(yīng)力，改善二者之間的相容性，同時(shí)在高溫服役的過(guò)程中，穿過(guò)陶瓷層的氧和粘結(jié)層內(nèi)的活性物質(zhì)反應(yīng)，形成一層致密的氧化膜，具有保護(hù)金屬基底不被氧化腐蝕的作用。
粘結(jié)層通常是由MCrAIY(M=Co、Ni)或(Pt，Ni)Al合金組成的金屬材料，MCrAlY及其改性材料具有優(yōu)異的抗氧化腐蝕性能，通過(guò)添加一定量的Al和Cr，可以起到抗氧化作用。
陶瓷層材料
陶瓷層主要起到抗氧化、耐腐蝕和隔熱的作用，當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的表面陶瓷層材料是氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)。YSZ的多孔性和微結(jié)構(gòu)使其具有一定應(yīng)變?nèi)菹蓿梢詼p少涂層在工作環(huán)境下的內(nèi)部應(yīng)力累積。
有學(xué)者研究通過(guò)摻雜Nd2O3、Gd2O3、Sc2O3等稀土氧化物，來(lái)增加YSZ穩(wěn)定性、斷裂韌性和抗CMAS腐蝕（CaO-MgO-Al2O3-SiO2等硅酸鹽物質(zhì)）等，并降低YSZ涂層中的Al2O3、Fe2O3和SiO2等低熔點(diǎn)雜質(zhì)含量，提高涂層高溫穩(wěn)定性，延長(zhǎng)服役壽命。
除了對(duì)ZrO2基陶瓷層材料的改性外，研究人員也將稀土鋯酸鹽(A2Zr2O7)和稀土鈰酸鹽(A2Ce2O7)等燒綠石結(jié)構(gòu)化合物作為陶瓷層材料，其具有高熔點(diǎn)、無(wú)相變且耐CMAS腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，該材料受到了大力追捧。
熱障涂層的制備
在一定程度上，熱障涂層的微觀結(jié)構(gòu)不僅影響涂層的隔熱、抗氧化等性能，也決定了涂層的壽命。而熱障涂層的微觀結(jié)構(gòu)不僅取決于所用材料，還取決于其制備工藝。因此，按照不同的制備要求選擇合適的制備工藝也很重要。
制備熱障涂層的方法多種多樣，但主要分為兩類(lèi)：一是熱噴涂法， 二是物理氣相沉積法。其中，熱噴涂法主要有超音速噴涂法、等離子噴涂法、爆炸噴涂法等。熱噴涂法制備的涂層呈片狀；而物理氣相沉積法主要是電子束物理氣相沉積法(EB-PVD)，其制備的涂層呈柱狀。
EB-PVD 工藝原理
熱障涂層中的陶瓷層常采用電子束物理氣相沉積法、大氣等離子噴涂法等方法；而金屬粘結(jié)層主要采用大氣等離子噴涂法(APS)、低壓等離子噴涂法(LPPS)、超音速火焰噴涂法(HVOF)等熱噴涂技術(shù)。截至目前，制備燃機(jī)熱障涂層的方法主要還是以APS和EB-PVD為主。
參考來(lái)源：
[1]新時(shí)期我國(guó)重型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展研究，束國(guó)剛等，中國(guó)聯(lián)合重型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)有限公司
[2]地面重型燃?xì)廨啓C(jī)及其熱障涂層的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)，鄒蘭欣等， 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所
[3]重型燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片材料及制造技術(shù)研究進(jìn)展，帥三三等，上海大學(xué)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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