核心涂层热性能测试评价平台系统的研究

梁君,王焱,金硪馨

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

0 引言

随着我国天然气资源大规模开发利用，国家能源结构调整已进入实施阶段，发展燃气轮机已成为这次战略调整的重要组成部分。这对我国发电装备制造业是一个良好的发展契机，对东汽更是一次宝贵的机遇。

机遇与挑战并存，燃机涂层等核心技术只掌握在少数发达国家电气巨头手中，巨大利益垄断化使得涂层技术的转让很难实现。涂层国产化的自主研发工作在东汽已如火如荼地展开，目前取得了较好的成绩，制备出一些试验件，部分涂层也已应用于产品。但是现在涂层性能只能通过金相观察微观组织进行判断，而最重要的并与未来服役密切相关的热性能，由于没有相应的商品化测试设备而无法评价，往往只能用实体燃机运行验证，不仅成本高昂，而且验证时间长、效率低、安全风险巨大。

涂层热性能指标是燃机涂层最重要的工作指标，直接影响着各类涂层的功能效果及服役寿命，如果关键的性能参数得不到验证，就无法对所研发的各类涂层的服役能力给予评判。国外具备自主涂层技术的企业几乎均具备了对于自己产品性能的检测标准及方法，这些方法和标准国外企业都进行了严格的保密，无法借鉴和参考。因此，必须自建一套涂层测试评价平台系统，用来检测不同工艺的涂层性能，建立自己的评价体系，对涂层的可靠性进行科学而有效的验证，为涂层的广泛应用保驾护航，尤其为加快新产品、新涂层的开发应用奠定基础。

目前，涂层检测技术已经成为现代表面工程学的一个重要组成部分，并被纳入独立的实验领域，赋予它一种明确的研究目标和特殊技术，成为明确而完整的一门学科。

1 平台系统建设内容及国内外研究现状

1.1 平台系统建设内容

根据不同工况需求，燃机涂层功能主要分有耐蚀、耐磨、防滑、防锈防氧化、催化、热障功能梯度等多种涂层。需要针对各种涂层的工作内容、工况特质，研究、开发和建设一套涂层高温热性能测试评价平台系统，对各类涂层的功能可靠性进行有效的测试、分析和评价。对涂层性质的评价已突破了传统概念，它涉及到喷涂工件、涂层以及两者的关联性质。亦即，现代表面技术与工程是把材料的表面与基体作为一个统一体系，并反映到工件的强度、可靠性与耐久性的综合特性上。因此，对某种产品实施涂层时，必须考虑到涂层的特殊性质对基体性能的影响，涂层与基体应该被视为一个结构实体，让这个结构实体通过模拟工况的实验环境检测，从而对涂层性能进行评价，自建一套检测标准和方法。

同时为了提高检测标准和方法的准确性，必须深入了解燃机涂层运行工况，并根据涂层的工作原理及失效机理，结合涂层实际运行特质，设计出相应的模拟工况条件，解决各种高温测试装置的系统设计、结构设计、工况模拟和控制技术，让涂层与基体这样一个结构实体能够在应用前得到充分的工况验证，并不断改进完善。

1.2 国内外研究现状

目前燃机核心技术国外企业严格保密，其检测标准及方法也很少介绍，并不进行技术转让和买卖。国内外市场上还没有现成的热性能检测设备可以采购，部分高校有简易的测试设备，但主要应用于教学试验，不能直接应用到工程化项目中。因此只能依靠自己独立研发检测设备，建设一套完全具有自主知识产权的测试评价平台系统。

根据调研，英国帝国理工大学、克兰菲尔德大学、西安交通大学、北京理工大学、北京航空航天大学等学校均有部分涂层高温热性能检测设备，但都非常简易，教学试验临时所用，不能长时间运行；北京航空材料研究所等单位具备多种热性能检测设备，但测试评价平台体系仍然不完整，同时他们不做燃机涂层研发工作，因此试验台模拟的工况不是非常地切合实际。因此整个项目的开展是得不到外援的自主研发，创新点较多。

2 自主研发的测试评价平台系统的介绍

综合对燃机运行的研究和各种涂层工况的分析，拟自主研发的涂层高温热性能测试评价平台系统包括5个检测试验台，模拟涂层在不同运行工况下的实证及失效，为涂层的材料及喷涂工艺的改善和优化提供依据。

2.1 热循环试验台

2.1.1功能原理介绍

热循环试验台三维设计见图1，主要功能是模拟燃机实际工况，建立温度梯度场，测试在冷热交变下涂层的稳定性和寿命。该试验台由4部分组成：气体流量控制系统、自动循环控制系统、喷火及测温系统和计算机数据采集系统，其实体照片如图2 所示，模拟了燃机在启动、运行和停机过程中叶片的温度环境，可以快速检测试样表面涂层的抗热冲击性能，设备采用天然气和氧气作为燃烧介质。在试验过程中，氧气和天然气混合，通过电火花点燃燃烧。涂层试样前后表面温度均采用红外测温仪测定，定期用热电偶校准。试样表面温度可通过调节氧气和天然气的流量以及喷嘴离试样的距离来调节，可设置温度范围为900~1600 ℃，试样背面的温度可通过调节冷气流量来控制，模拟工况建立前后表面150~200 ℃温差。

图1 热循环试验台三维设计

图2 热循环试验台实体照片

2.1.2试验台创新性介绍

火焰枪枪头设计不合理，会使枪头温度过高而堵塞火焰枪枪口，造成火焰枪损坏或燃气爆炸。火焰枪枪头的冷却方式有两种：外部水冷和内部水冷。两种方式各有优缺点。外部水冷热交换率低，但结构简单，密封性好。内部水冷可以有效降低火焰枪枪头的温度，延长火焰枪寿命，但内部设计结构复杂，而且枪头两部分结合时需要进行焊接，焊接时如果温度过高、过低或焊接工手艺不佳，都有可能造成接缝处发生冷却水的泄露。综合两种枪头的优缺点以及枪头在本系统中的重要性，采用了新结构的内水冷的火焰枪枪头。

试件在加热过程中，夹具要求尽量减少盲区，并且方便更换试片，容易拆卸。设计的试件夹具主要由异形试件、限位环和定位环3 部分组成，这种设计既防止试件表面有盲区，又避免使用螺钉、螺栓等固定试件位置时由于高温定位孔发生形变，而且也保证试件密封性，防止试件背后冷却空气影响前面的火焰。

整个试验台中11路气体合理布局，包括燃气、氧气及压缩空气。在有限的空间里充分利用每个间隙尺寸，将电磁阀、质量流量计、单向阀、压力表等合理布局，同时保证各路管道气密性，方便操作使用。

2.2 隔热温度测试试验台

2.2.1功能原理介绍

隔热温度测试试验台三维设计图见图3，主要功能是模拟燃机工作时，检测热障涂层的隔热效果。本试验台主要针对涂层工艺试样做出隔热性能测试。实验方法采用如图4所示的圆管法，原理大致为：将外表面喷涂有热障涂层的空心圆管（盲孔）置于横向的管式电炉中，圆管内部焊接有热电偶丝，同时在炉中加入型号规格相同的未喷涂圆管试件，也在相同位置焊接热电偶，将电炉升温至实验所需温度，加热的同时2 个圆管内部通过相同且定量冷却空气，待整个系统达到稳态时，测定试件表面温度（炉膛温度）和2个圆管内壁温度，通过计算两试管内壁温度差，以此表征不同工艺和不同气体流量下的热障涂层隔热效果。采用隔热温差法具有结果直观、效率高等优点，适用于工程设计及应用对热障涂层隔热性能的评定。

图3 隔热温度测试试验台三维设计

图4 隔热温度测试试验台实体照片

2.2.2试验台创新性介绍

增加了对比试件，在相同工况下，有涂层与无涂层试件进行温度对比，尽量客观地检测出涂层的隔热效果。

2.3 联合热冲击试验台

2.3.1功能原理介绍

联合热冲击试验台三维设计图见图5，其功能是测试涂层在大温度梯度冲击下的稳定性和寿命。涂层的热冲击性能对于研究新的涂层材料和工艺是十分重要的。所开发的联合热冲击试验台（见图6）具备水冷和风冷2 种试验条件，是对涂层性能的1 种极限测试方法。水冷试验：先将试片在1150 ℃的高温电炉中保温30min，取出放入冷却水槽中急速冷却至25 ℃，其中冷却水槽带水温控制系统保证冷却水温为25℃。风冷试验：将试片在1150 ℃的高温电炉中保温30 min，取出后用冷却空气在规定时间内对其进行强制冷却至25℃。在多次的冷热循环交变的过程中，涂层会产生裂纹、失效甚至脱落。自主开发该试验台的目的就是根据试验次数和试片表面的剥落程度来判定涂层的抗热冲击性能。

图5 联合热冲击试验台三维设计

图6 联合热冲击试验台实体照片

2.3.2试验台创新性介绍

传统的热冲击试验台只具备单一的风冷功能，我们研发的试验台具有一体化特点，同时具备风冷、空冷、水淬3个极限试验条件。

建立了恒温系统确保水淬温度，用加热系统及冷却系统确保水淬试验时，水温恒定在设定值左右。

2.4 燃气热腐蚀试验台

2.4.1 功能原理介绍

燃气热腐蚀试验台三维设计图见图7，其功能主要是检测基体材料及防护涂层在高温燃气及腐蚀介质作用下的腐蚀倾向性。燃气热腐蚀试验主要用于测试燃机热端部件高温合金及高温防护涂层的燃气热腐蚀性能，参照中华人民共和国航空工业标准HB7740-2004。燃气热腐蚀设备装置主要由加热炉、空气压缩机、气体输送装置、储油储水装置、油量水量调节装置等组成。设备采用航空煤油和人造海水作为燃气腐蚀介质，以压缩空气将燃气腐蚀介质带入加热炉。燃气热腐蚀试验温度在600~1200 ℃可调，通过控制燃油油量、油气比和海水含量调节燃气热腐蚀条件。

图7 燃气热腐蚀试验台三维设计

2.4.2试验台创新性介绍

升降旋转系统及腐蚀雾化系统都有独具特色的结构设计，所有管道、阀门及控制元器件集成为一体，合理布局，方便操作。

2.5 燃气热冲蚀试验台

2.5.1功能原理介绍

燃气热冲蚀试验台三维设计图见图8，其功能是检测不同温度和速度的杂质颗粒对试件涂层的冲蚀影响。在大气气氛下，利用燃气携带磨粒对涂层试样进行冲蚀，冲蚀环境模拟燃机叶片所受的高温冲蚀磨损的实际工况。该试验台模拟的固体粒子冲蚀磨损是指大量固体小颗粒以一定的速度和角度在高温加压气氛下对涂层表面进行冲击，发生涂层损耗的一种现象，由此评价涂层的耐蚀耐磨性，因为在实际工况中，热态粒子对涂层的冲蚀磨损破坏尤为严重。

图8 燃气热冲蚀试验台三维设计

2.5.2试验台创新性介绍

冲蚀颗粒大小及压力可调，试验过程实现了在线监控，为涂层失效时间的判断提供了依据。

3 测试评价平台系统的应用前景

燃气轮机作为一种较为新型的热机的应用领域越来越广，它既吸取了内燃机的“内燃”特征，又具备了蒸汽轮机“高速旋转”的特点，兼备高效率、低噪音、低排放等优点。在当前世界能源紧缺、迫切需要开发和建立清洁高效的能源形势下，发展先进燃气轮机将成为21世纪能源动力发展的主要方向。目前公司燃机任务紧急一台典型的530MW的燃机，效率提高2%，每年节省燃油340 万美元，并避免超过29000t的CO2排放量。燃机叶片上涂层性能的提高和改善，可以使燃机效率有1%~10%的提升空间。但涂层技术一直被国外封锁，公司为实现重型燃机国产化，将涂层自主研发列为了重大的攻关项目。但研制出的涂层高温热性能是否有提高和改善，就需要规范的测试评价平台系统来考量，同时需要为涂层的可靠性判断提供依据。

我们所研发的一系列试验台为涂层技术的成功开发提供了有力的数据支持及检测基础，有助于改善涂层的喷涂工艺，提高其喷涂合格率，同时也保障了公司重型燃机国产化的顺利实施，间接实现经济、社会效益，提高我国燃气轮机工作效率。

[1]纪小健,李辉.热障涂层的研究进展及其在燃气轮机的应用[J].燃气轮机技术,2006,21（2）:1-2

[2]牟仁德,何利民,陆峰,陶春虎.热障涂层制备技术的研究进展[J].机械工程材料,2007,31（5）:1-4

[3]韩雪涛,韩广兴,吴瑛.电气安装速成才[M]．北京:电子工业出版社,2012,5:25-38

[4]章德铭,任先京,腾佰秋．可磨耗封严涂层性能评价技术研究进展[J]．热喷涂技术,2009,2（1）：19-22

[5]田晔,张淑婷,马江虹．可磨耗封严涂层发展及应用[J]．有色金属，2006（增）:96-99