第五章燃氣輪機高溫熱部件透平葉片的氧化與腐蝕高溫合金及涂層燃氣輪機壽命1一、燃機透平的氧化與腐蝕高溫熱腐蝕低溫熱腐蝕高溫氧化腐蝕會導致重型燃氣輪機中的葉片和導向葉片發(fā)生毀壞，其緣由主要是由于燃料和空氣的雜質(zhì)（堿金屬硫酸鹽等）在表面上的凝聚。重型燃氣輪機遭受的腐蝕／氧化通常有三種類型，即低溫熱腐蝕、高溫熱腐蝕及高溫氧化。31，高溫熱腐蝕（I型熱腐蝕）

高溫熱腐蝕是一種急速產(chǎn)生的破壞形式，高溫熱腐蝕發(fā)生在816—927℃的溫度范圍內(nèi)，與鈉和鉀等堿金屬雜質(zhì)有關。在燃燒過程中，堿金屬同在燃料中含有的硫和氧化合形成Na2SO4和K2S04，當這些堿金屬鹽類在葉型表面凝結(jié)為液體時，它們就破壞了通常的保護性氧化膜，并阻止這種膜重新形成，這樣會使硫滲入金屬基體，引起硫化和金屬的快速腐蝕。這種腐蝕形式的特征是形成毫無保護作用的疏松的表面膜，引起葉片基體材料中鋁和鉻等元素的貧化。42、低溫熱腐蝕（Ⅱ型熱腐蝕）低溫熱腐蝕在一定條件下是有很強的侵蝕性的，它發(fā)生在593—760℃的溫度范圍內(nèi)，并需要有很大的SO3分壓。低溫熱腐蝕是由硫酸鈉和一些合金成分如鎳與鈷組成的混合物形成低熔點共晶體引起的。這種腐蝕破壞速率較其他腐蝕形式大。經(jīng)受過這種腐蝕的特征是有一個多孔狀的結(jié)膜層，表現(xiàn)為不均勻的點狀腐蝕，在形式上與其他腐蝕形式有明顯的區(qū)別。在基體材料上很少甚至沒有可見的金屬損耗現(xiàn)象，形成的硫化物也很少。53、高溫氧化金屬的氧化是在當氧原子同金屬原子化合形成氧化膜時發(fā)生的，溫度愈高，這個過程反應愈急速，如果在氧化物的形成過程中消耗掉了太多的基體材料就有可能導致?lián)p壞。在高于900℃的溫度下，如果金屬表面沒有阻止氧擴散的隔膜，則某些材料會發(fā)生相當快速的氧化破壞。若高溫合金中鋁含量足夠高，則在高溫卞將在合金表面形成氧化鋁，這樣，合金在氧化的初期自身產(chǎn)生一個致密的附著力強的氧化鋁保護膜。但是，為獲得高強度和金屬穩(wěn)定性等優(yōu)良性能的合金，其成分要求不一定能滿足使合金自身抗腐蝕和抗氧化的最佳條件，所以現(xiàn)在使用的很多高強度高溫合金不能形成完好的保護膜，因此，大多數(shù)高溫合金都必須靠特殊的工程涂料來實現(xiàn)其氧化保護。6防氧化與腐蝕的措施在燃料和空氣質(zhì)量方面，各公司都做了許多限制和規(guī)定。天然氣在這方面問題不很突出；在材料和涂層方面，積極地試驗與研究，但余地不多；部件設計方面，比如冷卻等方面。二、高溫合金及涂層高溫合金材料高溫合金部件制造工藝

高溫合金保護涂層及工藝

燃氣輪機中高溫涂層的使用1、高溫合金材料在650度以上溫度時，具有一定的力學性能和抗氧化、耐腐蝕性能；較高的高溫強度；抗疲勞性能、斷裂韌性、塑性主要有鐵基、鎳基、鈷基高溫合金2、高溫合金部件制造工藝高溫合金的冶金工藝冶煉的主要手段：電弧爐、真空感應爐和非真空感應爐；真空感應爐的采用是為了進一步降低夾雜物的含量；高溫合金的制造工藝含鋁、鈦、高熔點金屬較少，熱強度較低的合金錠可采用鍛軋工藝；高熔點金屬較多，熱強度較高時，不適合鍛軋，而選擇鑄造；通過精密鑄造工藝可以制作成空心或多孔形葉片。

需要融入大量高熔點的金屬（鉬，鎢等）可采用粉末冶金工藝，合金化程度超過鑄造合金

高溫合金的鑄造工藝-普通鑄造熔融的合金在鑄型中逐漸冷卻；晶粒不斷長大，最后充滿整個零件；晶粒間的界面稱為晶界，往往存在較多雜質(zhì)和缺陷，成為最薄弱的易破壞區(qū)；

在一般條件下的鑄造為普通鑄造。

高溫合金的鑄造工藝-定向鑄造定向鑄造的目的就是形成并列的柱狀晶，消除橫向晶界，使透平葉片工作時最大的離心力與柱晶之間的縱向晶界平行，減少了晶界斷裂的可能性；

與普通鑄造相比，定向柱晶組織更耐高溫腐蝕，可使工作溫度提高約50度，還使疲勞壽命提高10倍以上。

高溫合金的鑄造工藝-單晶鑄造單晶鑄造的透平葉片只有一個晶粒，完全消除了晶界的有害作用；

單晶鑄造過程的特點是控制熔融金屬在鑄型內(nèi)的散熱條件，只允許一個優(yōu)選的柱晶長大；

單晶葉片相比前兩種有最佳的性能。三菱M701F透平葉片材料3、高溫合金保護涂層及工藝三種類型的高溫合金保護涂層（1）擴散涂層用于較高溫度下需要抗氧化、抗腐蝕的部件.主要有氧化鋁涂層和改進型氧化鋁涂層.3、高溫合金保護涂層及工藝（2）包覆涂層用于極高溫度下需要抗氧化的部件，用作獨立涂層或熱障涂層的底層.一般為MCrAlY，其中M是基體元素，可以是Ni或Co（鈷）或合用；Al是生成Al2O3的必需元素；Y質(zhì)量分數(shù)一般在1%以下，起到細化晶粒、改善Al2O3膜與基體結(jié)合力的作用。3、高溫合金保護涂層及工藝（3）熱障涂層隔熱作用，包含4個部分：基體，及被保護的零件金屬結(jié)合層：通常為MCrAlY熱生長氧化物層：致密的Al2O3薄膜，保護基體陶瓷頂層：低的熱導率，優(yōu)越的熱障和耐熱沖擊性能3、高溫合金保護涂層及工藝高溫合金保護涂層的施加工藝（1）熱噴涂工藝高速氧燃料火焰噴涂等離子體噴涂（2）電子束-物理氣相沉淀工藝目前，經(jīng)冷卻的透平葉片在很高燃氣溫度運行時，表面需要沉積一層熱屏障涂層（TBC）。它至少由兩層組成，底層為粘接層，其主要作用是使面層與基體相連，并保護基體不受氧化。面層為陶瓷材料，常用材料為ZrO2（氧化鋯），因為它的熱脹系數(shù)與金屬差不多，并使用氧化釔作為穩(wěn)定劑。4、燃氣輪機中高溫涂層的使用20由于陶瓷材料低的熱傳導率可以減少燃氣對葉片的傳熱量，它有效地增加了高溫氣流與金屬底層之間的溫差。研究表明，采用0.25mm厚涂層就可以使襯底合金溫度降低170℃左右。熱障涂層的第二個好處是可以防止部件在受到熱沖擊時發(fā)生龜裂。此外，熱障涂層表面的光亮顏色能抑制輻射傳熱，使熱量返回到氣流中，從而使設備熱效益提高。21

在運行中，TBC有開裂和剝落兩個主要損壞機理必須考慮：（1）開裂是由于陶瓷內(nèi)外表面之間受到熱沖擊，產(chǎn)生不一致的瞬變應力引起。這主要發(fā)生在燃氣輪機跳閘時。（2）剝落是由于與金屬結(jié)合層處產(chǎn)生氧化物。該結(jié)合層的氧化是由于氧通過氧化鋯的晶格擴散而形成的。這種情況主要發(fā)生在長期使用后。2225三、燃氣輪機壽命疲勞、失效、壽命壽命/等效運行時間檢修間隔期及檢修策略

熱部件壽命及管理1、疲勞、失效、壽命國際標準化組織（ISO）對疲勞的定義：

金屬材料在應力或應變的反復作用下所發(fā)生的性能變化叫做疲勞。一般情況下，疲勞特指那些導致開裂或破壞的性能變化。失效：零部件失去原有設計所規(guī)定的功能，通常伴有損傷和破壞。（疲勞）壽命：

部件（材料）在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應力循環(huán)次數(shù)稱為疲勞壽命。27燃燒室熱部件失效方式低周疲勞失效：部件在機組啟停過程時經(jīng)歷溫度的突然變化。高周疲勞失效：火焰燃燒和氣膜冷卻會使部件產(chǎn)生高頻振動。高溫蠕變破裂：部件內(nèi)外壓力引起高溫蠕變破裂和變形。熱機械疲勞：穩(wěn)定運行時，燃燒過程及筒壁冷卻產(chǎn)生的熱應力。高溫氧化、燒蝕和磨損28透平熱部件失效方式外物打擊損傷：何物所傷？涂層消耗：使用期限？可修復嗎？高溫氧化：合金材料相關，差異較大高溫腐蝕/侵蝕：受燃氣環(huán)境決定基體組織退化：長期高溫熱暴露是主要原因燃氣顆粒沖刷