燃气轮机透平叶片热障涂层的研究

发布时间：2017-08-24 06:48

  本文关键词：燃气轮机透平叶片热障涂层的研究

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【摘要】：随着工业的发展,燃气轮机的燃气进口温度和效率不断提高,而现有的高温合金和冷却技术已经无法满足这种需求。热障涂层(TBCs)是目前最先进的高温防护涂层,具有良好的高温性能,使高温燃气和工作金属部件之间产生很大的温降,以延长热机零件使用寿命、提高热机热效率。本课题在镍基高温合金上首先制备了双层结构的TBCs,其粘结层为Ni Co Cr Al Y,陶瓷面层为Zr O2-8w.%Y2O3。TBCs的组织、结构和性能依赖于其制备方法。本课题采用超音速火焰喷涂(HVOF)直接制备粘结层,改善了粘结层的界面粗糙问题,使界面平整,增加了Al元素的扩散通道,有利于在粘结层表面形成一层Al2O3保护膜,防止了粘结层其它元素的进一步氧化。通过试验分别研究了喷涂距离、氧-燃气流量、冷却气体(空气)对粉末熔化情况和涂层的孔隙率的影响规律,对喷涂工艺参数进行了优化。利用等离子喷涂工艺(APS)在表面制备了氧化锆涂层;通过研究喷涂距离、送粉量、主气流量和喷涂电流对涂层结合情况的影响,获得了最优等离子喷涂工艺参数。利用扫描电子显微镜(SEM)深入研究了双层热障涂层的微观组织,并对涂层的孔隙率、结合强度、热导率、隔热性能以及抗热震性能进行了测试。对于金属基体上制备的双层热障涂层,其陶瓷层与金属基体之间的热膨胀系数不匹配。在工作过程中,温度的剧烈变化会使涂层产生突变热应力,从而导致涂层剥落失效。为了减缓涂层中的热应力,功能梯度材料(FGM)的概念被引入到热障涂层中来。按此概念设计的梯度热障涂层,从基体到陶瓷表面,其成分和性能是连续变化的,从而大大降低了两者因热膨胀系数不匹配而生成的热应力,避免了涂层在热震过程中发生剥落。本文采用四因素三水平正交试验研究了喷涂距离、送粉量、主气流量和喷涂电流对梯度热障涂层中过渡层的孔隙率的影响规律,对工艺参数进行了优化,最后对梯度热障涂层的结合强度和抗热震性能进行测试。试验结果表明,与双层热障涂层相比,梯度热障涂层的结合强度和抗热震性能都提高了。过渡层的加入,消除了涂层中成分的突变,降低了涂层在热震过程中的热应力集中,延缓了热震裂纹的产生,使梯度热障涂层的抗热震性能更优。
【关键词】：热障涂层 工艺优化 正交试验 隔热性能 抗热震性能
【学位授予单位】：机械科学研究总院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4;TK476
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-33
• 1.1 课题背景11-12
• 1.2 燃气轮机的工作原理及构造材料12-15
• 1.2.1 燃气轮机的工作原理12-14
• 1.2.2 燃气轮机的部件与工作环境14-15
• 1.2.3 本课题研究的燃气轮机概况15
• 1.3 热障涂层研究进展综述15-30
• 1.3.1 热障涂层的研究现状与发展趋势15-17
• 1.3.2 热障涂层结构17-20
• 1.3.3 陶瓷层的材料选择20-22
• 1.3.4 粘结层的材料选择22-24
• 1.3.5 热障涂层制备技术24-28
• 1.3.5.1 大气等离子喷涂（APS）24-25
• 1.3.5.2 电子束物理气相沉积（EB-PVD）25-27
• 1.3.5.3 超音速火焰喷涂法（HVOF）27-28
• 1.3.6 金属/陶瓷梯度热障涂层28
• 1.3.7 热障涂层在高温下的失效28-30
• 1.3.7.1 热障涂层失效的应力来源29-30
• 1.3.7.2 热障涂层的失效形式30
• 1.3.7.3 热障涂层的失效机制30
• 1.4 本课题研究内容及意义30-33
• 第二章 实验材料、实验设备及实验方法33-43
• 2.1 实验材料33-36
• 2.1.1 基体材料33-34
• 2.1.2 喷涂材料34-36
• 2.2 喷涂设备介绍36
• 2.2.1 超音速火焰喷涂设备36
• 2.2.2 等离子喷涂设备36
• 2.3 热障涂层的制备36-37
• 2.3.1 双层热障涂层的制备36
• 2.3.2 梯度热障涂层的制备36-37
• 2.4 涂层金相及微观组织分析方法37-38
• 2.4.1 金相试样制备37
• 2.4.2 微观组织形貌分析37-38
• 2.4.3 涂层的孔隙率分析38
• 2.5 涂层的性能测试方法38-43
• 2.5.1 涂层结合强度测试38-39
• 2.5.2 涂层导热系数测试39-40
• 2.5.3 涂层隔热性能测试40-42
• 2.5.4 涂层抗热震性能测试42-43
• 第三章 双层热障涂层制备工艺与组织结构43-66
• 3.1 粘结层的工艺优化与组织结构43-54
• 3.1.1 粘结层的工艺优化43-54
• 3.1.1.1 不同喷涂距离对粉末熔化的影响43-46
• 3.1.1.2 氧-燃气流量对粉末熔化的影响46-53
• 3.1.1.3 冷却气体（空气）对粉末熔化的影响53
• 3.1.1.4 HVOF最佳工艺参数53-54
• 3.1.2 粘结层优化后的组织结构54
• 3.2 陶瓷层的工艺优化与组织结构54-63
• 3.2.1 陶瓷层的工艺优化54-63
• 3.2.1.1 喷涂距离对涂层组织的影响55-57
• 3.2.1.2 送粉量对涂层组织的影响57-60
• 3.2.1.3 主气流量对涂层组织的影响60
• 3.2.1.4 喷涂功率对涂层组织的影响60-62
• 3.2.1.5 最佳喷涂参数62-63
• 3.2.2 陶瓷层优化后的组织结构63
• 3.3 热障涂层的组织结构分析63-64
• 3.4 本章小结64-66
• 第四章 双层热障涂层的性能测试与评价66-100
• 4.1 双层热障涂层结合强度分析66-68
• 4.1.1 涂层结合强度研究内容66-67
• 4.1.2 喷涂参数对涂层结合强度的影响67-68
• 4.2 热障涂层导热系数测试68-76
• 4.2.1 热障涂层的比热容与密度68-71
• 4.2.2 热障涂层的热扩散系数与热导率71-73
• 4.2.3 热障涂层热导率的影响因素73-76
• 4.2.3.1 涂层材料对热障涂层热导率的影响73-75
• 4.2.3.2 制备方法对热障涂层热导率的影响75-76
• 4.2.3.3 成分变化对热障涂层热导率的影响76
• 4.3 热障涂层隔热性能76-91
• 4.3.1 热障涂层体系传热过程分析76-81
• 4.3.1.1 对流换热77-78
• 4.3.1.2 热传导78-79
• 4.3.1.3 热辐射79-80
• 4.3.1.4 界面热阻80-81
• 4.3.2 传热过程的影响因素分析81-83
• 4.3.2.1 对流换热的影响因素81-82
• 4.3.2.2 热传导的影响因素82
• 4.3.2.3 辐射换热的影响因素82
• 4.3.2.4 界面热阻的影响因素82-83
• 4.3.3 热障涂层隔热效果理论83-89
• 4.3.3.1 理论计算公式83-85
• 4.3.3.2 吸热过程85-86
• 4.3.3.3 散热过程86-87
• 4.3.3.4 热平衡状态下的隔热效果计算87-89
• 4.3.4 隔热温差法实测结果分析89-91
• 4.4 热障涂层抗热震性能91-98
• 4.4.1 热震试验前后涂层的表面宏观形貌91-93
• 4.4.2 热障涂层抗热震性能原理分析93-95
• 4.4.2.1 热障涂层热震后失效类型93
• 4.4.2.2 热障涂层热震失效过程93-94
• 4.4.2.3 热障涂层热震失效原因94-95
• 4.4.3 热障涂层残余应力分析95-98
• 4.4.3.1 热障涂层残余应力表达式95-96
• 4.4.3.2 热障涂层残余应力计算96-97
• 4.4.3.3 残余应力的影响因素97-98
• 4.5 本章小结98-100
• 第五章 梯度热障涂层100-127
• 5.1 梯度热障涂层的设计100-101
• 5.2 梯度热障涂层的工艺优化101-116
• 5.2.1 正交试验设计101-103
• 5.2.2 正交试验结果与分析讨论103-107
• 5.2.3 工艺参数对涂层孔隙率的影响107-112
• 5.2.3.1 喷涂距离对涂层孔隙率的影响108-109
• 5.2.3.2 送粉量对涂层孔隙率的影响109
• 5.2.3.3 主气（N2）流量对涂层孔隙率的影响109-111
• 5.2.3.4 喷涂电流对涂层孔隙率的影响111-112
• 5.2.4 最佳喷涂参数112
• 5.2.5 优化后的梯度热障涂层的组织结构分析112-116
• 5.3 梯度热障涂层结合强度116-118
• 5.4 梯度热障涂层的抗热震性能118-125
• 5.4.1 试验结果与分析118-122
• 5.4.2 热震特性分析122-123
• 5.4.2.1 梯度热障涂层热震特性分析122-123
• 5.4.2.2 陶瓷层热震特性分析123
• 5.4.2.3 过渡层热震特性分析123
• 5.4.3 热震裂纹的形成和扩展123-125
• 5.5 本章小结125-127
• 第六章 结论127-129
• 参考文献129-140
• 致谢140-141
• 在学期间发表的学术论文和参加科研情况141

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 张磊;张社会;王伟;冯洲鹏;;功能金属/陶瓷梯度热障涂层的材料体系及制备方法[J];热加工工艺;2010年16期

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本文编号：729835