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空气等离子喷涂获得的热障涂层显微组织示意图
等离子喷涂组织示意图
等离子弧的温度很高，涂层粉末完全熔化，粉末成分通常和涂层成分一致 涂层有氧化夹杂和孔洞，且残余应力水平较高，需要热处理
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涂层
工艺
等离子喷涂分类
空气等离子喷涂（APS）——整个操作在空气氛围中进行，设 备简单，成本较低，但涂层中易出现氧化夹杂 真空等离子喷涂（VPS）——氧化夹杂基本不存在；由于压力 较低，等离子弧中离子和电子的平均自由程增加，喷涂距离大大 增加，可以喷涂的工件直径也相应增加，但设备复杂，成本较高
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目录ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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燃机热端部件防护涂层概述
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涂层工艺
涂层类型
热障涂层系统的失效及应对
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国内热部件涂层公司简介
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国内热部件涂层公司简介 三菱重工东方燃气轮机（广州）有限公司
由日本三菱重工和中国东方汽轮机有限公司共同出资，是制造燃机热部件 和提供燃机售后服务及维修的中外合资企业。公司主要产品是M701F燃机 的核心热部件，有燃烧器、分割环、透平前几级级动、静叶片等。此外， 公司还提供M701F和M251S燃机热部件维修等售后服务。（目前杭汽承接 的钢厂客户M251S燃机热部件的维修均委托该公司完成。）
注：德国ALD真空工业股份公司有相关设备的生产与开发
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目录
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燃机热端部件防护涂层概述
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4
涂层工艺
涂层类型
热障涂层系统的失效及应对
5
国内热部件涂层公司简介
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涂层
类型
热障涂层
EB-PVD技术制备的热障涂层（TBC）扫描电子显微镜照片 （其中蓝线描述了不同距离温度的分布）
热涨涂层系统由四部分组成：基体，粘接层，热生长氧化物（TGO）层，顶部陶瓷层 粘接层的作用是缩小金属基体与顶部陶瓷层之间的热膨胀差别，使其不易剥落 TGO层是由氧原子通过顶部陶瓷层扩散，氧化粘接层而形成。当TGO层均匀缓慢生长， 不出现弯曲时，TBC涂层的寿命将会提高 TBC能隔绝叶片外部的灼热气流，温度可以降低约200 ℃，从而有效保护金属基体
经过一定循环次数后，TGO层发生弯曲并与顶部陶瓷层分离
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热障涂层系统的失效及应对
空气和燃料中通常含有Ca，Mg，Al，Si等，它们的氧化物会沉积在热障 涂层的表面，导致其部分熔解，从而使涂层的应变极限降低，硬度升高而 加速其失效 随着时间的增加，燃料中的V会逐渐熔解YSZ中的Y元素，导致涂层失效 S在粘接层中易形成低熔点夹杂并偏聚在晶界处极大地削弱其强度 应严格限制燃料 和空气中的Ca， Mg，Al，Si，V， S等杂质
三种防护涂层以及它们的寿命和耐受温度 5/30
燃机热端部件防护涂层
制造商 型号 11N2 ABB GT24/26
概述
静叶片 IN939 DS CM247LC(R1) MarM247LC(R2,3) IN738(R4,5) FSX-414 FSX-414(R1) GTD-222(R2,3) SC Rene N5/ FSX-414/ GTD-222 IN939 SC PWA1483(R1,2)/ IN939 X-45(R1) ECY-768/X-45 ECY-768/X-45 IN939 动叶片 IN738LC DS CM247LC(R1-3) MarM247LC(R4,5) GTD-111/IN738/U500 DS GTD-111(R1) GTD-111(R2,3) SC Rene N5(R1) DS GTD-111(R2,3) IN738LC/IN792(R4) SC PWA1483(R1,2) U500(R1) U520 IN738LC DS MarM002(R1,2) CM247 涂层 NiCrAlY+Si TBC(R1 V) NiCrAlY+Si(R2-4 B,V) 无涂层R5V,镀铬R5B RT22/GT29-In+(R1B) GT33-In/GT29-In+/ 镀铬 TBC(R1,2B,V) 其它GT33 CoNiCrAlY+Si TBC(EB-PVD R1B)/ MCrAlY+Re CoNiCrAlY(R1B)/ TBC(PS R1V) MCrAlY TBC(R1 B,V)/ MCrAlY/Sermalloy J TBC(EB-PVD R1,2 B,V)/ MCrAlY
当氧化钇含量为7%左右时，涂层寿命最长 当氧化钇添加量为最佳时，氧化锆在低温下也不会发生相变
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涂层
类型
包覆涂层
包覆涂层一般为MCrAlX型，其中M代表Ni，Co或两者的结合；X代表微量 活性元素，如Y，Si，Ti，Hf等 包覆涂层的主要作用是抗氧化和热腐蚀，其位于金属基体之上优先与氧化和 腐蚀物质接触并反应，从而保护内部金属
在海边附近长期工作的燃气轮机叶片 左：没有涂层 右：NiAl涂层
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燃机热端部件防护涂层
概述
联合循环出力
联合循环热效率
叶片温度承受能力
热部件制造成本 较低 高温合金 制造成本 涂层成本
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燃机热端部件防护涂层
概述
几种涂层类型的比较
APS:空气等离子喷涂 VPS:真空等离子喷涂 EB-PVD :电子束物理气相 沉积 YSZ :氧化钇稳定的氧化锆
比较均匀 氧化 夹杂少 高致密性
VPS特点
可进行大 厚度涂层 设备复杂 低残余 应力
注：瑞士Sulzer Metco公司 有相关设备的生产与开发
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涂层
工艺
电子束物理气相沉积
电子束物理气相沉积（EB-PVD）示意图
蒸发沉积示意图
高能电子束作用于涂层材料块使其逐渐气化，从而在需要涂层的零件 周围形成蒸气云 旋转零件（预热至850-1050℃），使蒸气云沉积在需要涂层的位置处
广泛使用的MCrAlX型包覆涂层成分
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涂层
类型
包覆涂层中合金元素的作用
Al的作用是形成致密的氧化铝薄膜， 阻止涂层及里面的金属被氧化和腐 蚀 Cr的作用是加速形成致密的氧化铝 膜，在镍铝二元系中，要单独形成 氧化铝（无氧化镍形成），Al的含 量至少为20%，而当加入5%的Cr时， 只需加入5%的Al Y，Si，Hf等活性元素的作用则是 提高氧化铝薄膜与基体的粘接而不 致脱落，从而有效保护金属基体
在高速气体冲刷，氧化，腐蚀以及燃气轮机停机，变工况等条件下， 热障涂层系统将会失效而剥落，这通常是由粘接层和顶部陶瓷层在界 面处分层引起的
涟钢M251S大修换下一级静叶热障涂层的失效
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热障涂层系统的失效及应对
EB-PVD法制备热障涂层系统中热生长氧化物的生长动力学
TGO层的厚度随着时间的增加呈抛物线式增长，表明它的形成受扩散控制 有资料表明，当TGO层的厚度达到10μm时，涂层将失效，因此，TBC系统 的寿命与TGO层的厚度密切相关
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国内热部件涂层公司简介 上海西门子燃气轮机部件有限公司
西门子燃气轮机部件有限公司是由西门子和上海电力集团联合投资的合 资公司。公司主要制造和整修SGT5-4000F级燃气轮机高温涡轮叶片并装 配燃烧室耐高温的瓷砖。 注：目前该公司已解散
通用电气哈动力能源服务（秦皇岛）有限公司
公司由通用电气能源集团与哈尔滨动力设备股份公司合资成立，哈汽和 南汽与通用电气合作生产的重型燃气轮机热部件的维修和服务主要由该 公司承接。
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燃机热端部件防护涂层概述
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涂层工艺
涂层类型
热障涂层系统的失效及应对
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国内热部件涂层公司简介
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涂层
工艺
等离子喷涂
等离子喷涂（PS）示意图
阳极与阴极间产生高温的等离子弧，使得送进的涂层材料 粉末熔化并高速地飞向待涂层基体的表面，从而凝聚形成涂层
注：图中通入的是惰性气体，H2应为N2
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热障涂层系统的失效及应对
五种TBC系统的循环剥离寿命
总的来说，EB-PVD法制备的顶部陶瓷涂层比PS法的寿命更长，这是 因为其顶部陶瓷涂层中存在微裂纹而使得它具有较大的应变极限 粘接层的工艺对TBC系统的寿命影响不大
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热障涂层系统的失效及应对
在TGO层与顶部陶瓷层界面处存在很多缺陷，而分散的初期裂纹在缺陷处形 成，这些裂纹生长并连接 当裂纹生长到一定尺寸而使TGO层发生弯曲时，涂层即发生失效（在冷却时 TGO内部产生较大的压应力） 应尽量避免负 荷和燃料热值 的快速变化
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涂层
类型
热障涂层材料的选择
不同温度下几种氧化物的热导率
氧化锆的热导率最低，且温度变化对其影响很小 多数氧化物的热导率均随温度的升高而降低 但低温下氧化锆会发生相变，体积和热导率均有明显 变化，需加入稳定剂（一般为氧化钇）
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涂层
类型
稳定剂的添加量
涂层循环失效次数随氧化锆中氧化钇含量的变化图（NASA燃烧器试验）
Si，Hf等元素的蒸气压较低，EB-PVD法 不能有效地将其蒸发沉积至涂层上
EB-PVD和PS法制备包覆涂层的氧化阶段， 显示Si和Hf的添加对涂层寿命的影响
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涂层工艺
涂层类型
热障涂层系统的失效及应对
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国内热部件涂层公司简介
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热障涂层系统的失效及应对
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国内热部件涂层公司简介 梯西艾燃气轮机材料技术（上海）有限公司
梯西艾（上海）公司的燃机部门专门为燃机热通道部件进行涂层和焊接 修理，公司的技术、工艺和质量标准来源于美国通用电气集团电力系统 公司大本营的美国TCI公司，梯西艾公司与其美国总公司的生产工艺标 准是按照美国航空工业的标准来严格制定的。公司客户包括西门子、上 海电气集团及江苏沙钢等。