科普 | 燃气轮机热障涂层浅谈

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导语

燃气轮机热障涂层（Thermal Barrier Coatings, TBCs），它通过在燃气轮机的高温部件表面涂覆一层或多层特殊的陶瓷材料，以提高这些部件在高温环境下的耐热性和耐腐蚀性，从而延长其使用寿命并提高燃气轮机的效率和性能。

燃气轮机热障涂层技术的提出背景

影响燃气轮机效率的关键因素之一是涡轮进口温度。提高涡轮进口温度可以有效地提高燃气轮机的效率，但这同时也对涡轮叶片等热端部件提出了更高的耐温要求。传统的高温合金叶片材料已接近其使用温度的极限，而更耐热的材料如陶瓷基复合材料尚未能成熟应用。因此，研究人员开始寻求新的解决方案。

涡轮叶片热障涂层和气膜冷却技术

热障涂层技术应运而生，它通过在涡轮叶片等热端部件表面喷涂一层陶瓷材料，形成隔热层，可以有效地降低叶片的表面温度，延长叶片的使用寿命，并使其能够在更高的温度下工作。这种技术相比于传统的耐高温材料具有成本低、隔热效果好等优点。

燃气轮机热障涂层的工作原理

热障涂层的工作原理基于其低热导率和高反射率的特性。当高温燃气在燃气轮机中流动时，热障涂层作为一层保护层，阻止了大量热量传递到涡轮叶片的金属基体。这样，即使在高温环境下，叶片基体的温度也能保持在一个较低的水平，从而避免了材料的过早疲劳和失效。

涂层通常由多层结构组成，包括一个粘结层（通常由MCrAlY合金构成）和一个或多个陶瓷层。粘结层有助于陶瓷层与金属基体之间的附着，同时在高温下形成一层保护性的氧化铝层（热生长氧化物，TGO），进一步提高抗氧化性能。陶瓷层则直接面对高温燃气，提供隔热保护。

涡轮叶片热障涂层体系结构图

热障涂层的设计和优化是一个复杂的工程挑战，需要考虑涂层的厚度、材料选择、微观结构设计、以及与基体材料的热膨胀系数匹配等多个因素。通过这些技术手段，热障涂层能够显著提高燃气轮机的效率和可靠性。

燃气轮机热障涂层的技术特点

1、隔热性能：热障涂层具有低热导率，能够有效隔绝高温燃气与叶片基体的直接接触，从而降低叶片的表面温度，提高叶片的热稳定性。

2、耐高温性能：热障涂层通常由稳定的陶瓷材料（如氧化钇稳定氧化锆）制成，这些材料能够在高达1200℃以上的温度下长期工作。

热冲击后的失效行为和表面形貌

3、抗氧化和腐蚀性能：热障涂层能够保护基体材料免受氧化和热腐蚀的影响，延长燃气轮机部件的使用寿命。

4、应变容限：某些热障涂层（如EB-PVD制备的涂层）具有柱状晶结构，能够提供较高的应变容限，适应热循环过程中的热膨胀和收缩。

5、制备工艺：热障涂层的制备工艺包括等离子喷涂（APS）、电子束物理气相沉积（EB-PVD）等，这些工艺能够形成不同微观结构的涂层，以适应不同的工作环境。

EB-PVD 设备及工作原理

6、相容性与稳定性：涂层材料应与底层金属材料具有良好的化学相容性，并在工作温度范围内保持相对稳定，不发生相变或过度的烧结。

燃气轮机热障涂层技术面临的技术挑战

燃气轮机热障涂层技术面临的技术挑战主要包括以下几个方面：

1、高温下的稳定性：热障涂层需要在极端高温环境下保持稳定，避免发生烧结、相变等行为，这些都可能降低涂层的服役寿命。

2、热膨胀系数匹配：热障涂层、金属粘结层和镍基高温合金基体之间热膨胀系数的差异可能导致应力集中，增加涂层剥落的风险。

3、抗氧化和抗腐蚀性能：热障涂层需要具备良好的抗氧化性能，能够抵抗高温下的氧化和热腐蚀，尤其是对抗熔盐腐蚀（如CMAS腐蚀）。

抗CMAS 腐蚀的PS-PVD 涂层

4、涂层的结构设计：研究梯度功能涂层、纳米结构涂层等新型结构，以提高涂层的抗热震性能和降低涂层的脆性。

典型大气等离子喷涂制备涂层结构

5、制备工艺的优化：需要开发和优化热障涂层的制备工艺，如等离子喷涂、电子束物理气相沉积（EB-PVD）等，以提高涂层的均匀性和附着力。

多层陶瓷ＴＢＣ 的界面横向裂纹：

（ａ）产生于制备过程（ｂ）产生于热循环

6、涂层的修复技术：研发有效的热障涂层修复技术，以延长涂层的使用寿命，降低维护成本。

7、性能评价和寿命预测：建立科学的热障涂层性能评价体系和寿命预测模型，以便更准确地预测涂层的服役寿命。

热障涂层寿命周期内性能影响因素

8、应对复杂服役环境：热障涂层需要适应复杂的服役环境，如高温燃气热冲击、CMAS腐蚀、外来物冲蚀等多场耦合作用。

某高导叶片叶盆涂层因CMAS 沉积严重而脱落

为了解决这些挑战，需要从材料体系、结构设计、制备技术、性能测试等多个方面进行综合考虑和创新研究。

当前燃气轮机热障涂层技术领域的前沿研究和新兴趋势主要集中在以下几个方面：

1、新型热障涂层材料的开发：传统的YSZ（氧化钇稳定氧化锆）涂层在1200℃以上的温度下容易发生相变和烧结，因此研究人员正在寻找和开发新型热障涂层材料，如Sm2Zr2O7和Sm2Zr2O7-Y3Al5O12复合材料，以提高涂层在高温下的稳定性和降低热导率。

2、涂层结构设计的优化：为了提高热障涂层的性能，研究人员正在探索不同的涂层结构设计，如梯度功能热障涂层，这种涂层具有成分连续、孔隙率连续及多层机构变化的特点，能够提高抗热震性能。

典型子束物理气相沉积方法制备的热障涂层结构

3、制备工艺的改进：热障涂层的制备工艺对涂层性能有重要影响。目前，等离子喷涂和电子束物理气相沉积（EB-PVD）是两种常用的制备技术。研究人员正在开发新的制备技术，如液体注入等离子喷涂法，以提高涂层的均匀性和附着强度。

大气等离子喷涂（APS）过程示意图

4、涂层性能评价体系的建立：为了准确评估热障涂层的性能，需要建立科学的性能评价体系。这包括热障涂层在实际工作环境中的服役行为、失效模式和失效机理的研究。

5、热障涂层的修复技术：热障涂层在服役过程中可能会受到损伤，因此研究有效的修复技术以延长涂层寿命也是当前的研究热点。

6、多场耦合服役环境模拟：热障涂层在服役过程中会遇到多种复杂的环境因素，如高温、腐蚀、热冲击等。研究人员正在通过多场耦合的方法模拟这些复杂环境，以更好地理解涂层在实际工作条件下的行为。

燃气轮机热障涂层技术的未来发展展望

燃气轮机热障涂层技术的未来发展将集中在提高涂层的耐高温性能、耐热震性能、抗氧化和抗腐蚀性能，以及提高涂层的服役寿命。未来的研究可能会集中在以下几个方面：

1、材料创新：研发新型热障涂层材料，如耐高温、高隔热、抗烧结的陶瓷层材料，以及多元素掺杂改性的YSZ材料，以提高涂层的高温稳定性和热循环寿命。

2、结构优化：设计多层和梯度功能结构的热障涂层，以改善涂层的热应力分布，增强涂层的抗热震多元素掺杂材料，将是研究的重点。

3、涂层结构的优化：多层和梯度功能结构热障涂层的研究将继续进行，以改善涂层的热膨胀系数匹配、提高涂层的抗热震性能和抗烧结性能。

4、制备工艺的改进：目前，等离子喷涂和电子束物理气相沉积是热障涂层制备的主要技术。未来可能会发展新的制备技术，如悬浮等离子喷涂（SPS）和液相沉积等，以实现更好的涂层性能和更高的制备效率。

5、涂层性能评价和测试标准的建立：建立科学的热障涂层性能评价体系和测试标准，对于指导涂层的设计和制备至关重要。

6、涂层修复技术的研究：研究和开发热障涂层的修复技术，以延长涂层的服役寿命，降低维护成本。

7、涂层的多功能化：除了隔热外，未来的热障涂层可能还将具备自修复、自清洁性能和抗裂纹扩展能力。

8、制备技术改进：完善和发展热障涂层的制备工艺，如等离子喷涂、电子束物理气相沉积（EB-PVD）和悬浮等离子喷涂（SPS）等，以提高涂层的质量和制备效率。

9、抗CMAS腐蚀性能：加强对热障涂层抗CMAS（钙镁铝硅氧化物）腐蚀性能的研究，开发具有更好抗CMAS腐蚀性的等多种功能，以适应更加复杂的工作环境。

10、智能涂层系统：研发能够实时监测和响应环境变化的智能涂层系统，通过集成传感器和控制器来优化涂层的性能和寿命。

11、环境友好型涂层：随着环保要求的提高，开发无毒、低排放的热障涂层材料和工艺将成为研究的一个方向。

结语

随着燃气轮机热障涂层技术的不断提升及应用，热端部件承温能力持续提升，涡轮前温度得以大踏步的提高，高效率高可靠性的重型燃气轮机离我们越来越近，让我们翘首以盼吧。

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