燃气轮机高温热部件表面抗氧化新型复合涂层

【作者】 Rong LIU； 姚喆赫； 张群莉； 姚建华；

【机构】 加拿大卡尔顿大学； 浙江工业大学激光先进制造研究院；

【摘要】 近些年来,为了提高航空发动机的工作效率,进口温度不断增加,目前已经达到1400℃,正目标1600℃。在如此高温的工作环境,发动机热部件表面受到严重的高温腐蚀氧化。有效的解决办法是在部件表面施加抗高温腐蚀氧化的涂层。传统的抗高温氧化涂层是单一的含铝的钴镍基合金,铝的存在保证生成具有保护作用的氧化铝薄膜,从而防止基体的进一步氧化。然而随着氧化铝的连续生成,涂层中的铝不断消耗,最终导致因为铝的贫乏涂层失效。为确保燃气轮发动机热部件在超高温下正常工作,一种新型的抗高温腐蚀氧化的复合涂层已经设计并应用到航空发动机的热部件。此涂层包括三个部分,中间层是高性能的含铝的钴镍基合金,同时为保证氧化铝薄膜在涂层中的不间断形成,一个含镍富铝渗透层添加到钴镍基合金层上。另外,为防止中间层中铝向基体中的扩散,一个铬硅同时沉积层首先添加到基体表面。底层和中间层通过等离子热喷涂实现,顶层借助包埋渗透法。首先对三种工艺过程依据涂层的各种缺陷(孔隙,微裂纹,氧化残渣,未熔颗粒等)进行了优化,所获得的最优化参数用于制作最后的新型复合涂层系统。对所获得的新型复合涂层试样进行微观组织和元素分布分析及高温(1100℃,1000小时)循环氧化试验。为进行对比分析,制作了不同的涂层组合,例如,只有底层和中间层,或只有中间层和顶层,等等。涂层试样在高温循环氧化试验前后进行重量测试,这样决定涂层因为氧化的重量变化。与此同时,对经历高温循环氧化试验的涂层试样断面进行扫描电镜分析,从而估算在循环氧化过程中氧化物生成总量和最终残余在涂层表面的数量。最后运用统计学分析方法,调查不同的涂层组合和它们之间相互作用对涂层高温氧化的影响。另外,对富铝渗透层中铝和镍的配比进行了研究。结果显示,这种新型的复合涂层结构有效地促使一个富铬层在基体和铬硅沉积层之间形成,成功地阻止了钴镍基合金中铝向基体的扩散,这样保证了氧化铝在涂层中的连续形成,从而将增加了热部件的抗高温氧化性能。复合涂层中的每一层都不可缺少,各自起到至关重要的作用。富铝渗透层中铝高于镍的配比(两倍)好于镍高于铝的配比。更多还原