燃机高温热部件及寿命.pptx

第五章 燃气轮机高温热部件透平叶片的氧化与腐蚀高温合金及涂层燃气轮机寿命一、燃机透平的氧化与腐蚀高温热腐蚀低温热腐蚀 高温氧化腐蚀会导致重型燃气轮机中的叶片和导向叶片发生毁坏，其缘由主要是由于燃料和空气的杂质（碱金属硫酸盐等）在表面上的凝聚。重型燃气轮机遭受的腐蚀／氧化通常有三种类型，即低温热腐蚀、高温热腐蚀及高温氧化。1，高温热腐蚀（I型热腐蚀） 高温热腐蚀是一种急速产生的破坏形式，高温热腐蚀发生在816—927℃的温度范围内，与钠和钾等碱金属杂质有关。在燃烧过程中，碱金属同在燃料中含有的硫和氧化合形成Na2SO4和K2S04，当这些碱金属盐类在叶型表面凝结为液体时，它们就破坏了通常的保护性氧化膜，并阻止这种膜重新形成，这样会使硫渗入金属基体，引起硫化和金属的快速腐蚀。这种腐蚀形式的特征是形成毫无保护作用的疏松的表面膜，引起叶片基体材料中铝和铬等元素的贫化。2、低温热腐蚀（Ⅱ型热腐蚀）低温热腐蚀在一定条件下是有很强的侵蚀性的，它发生在593—760℃的温度范围内，并需要有很大的SO3分压。低温热腐蚀是由硫酸钠和一些合金成分如镍与钴组成的混合物形成低熔点共晶体引起的。这种腐蚀破坏速率较其他腐蚀形式大。经受过这种腐蚀的特征是有一个多孔状的结膜层，表现为不均匀的点状腐蚀，在形式上与其他腐蚀形式有明显的区别。在基体材料上很少甚至没有可见的金属损耗现象，形成的硫化物也很少。3、高温氧化金属的氧化是在当氧原子同金属原子化合形成氧化膜时发生的，温度愈高，这个过程反应愈急速，如果在氧化物的形成过程中消耗掉了太多的基体材料就有可能导致损坏。在高于900℃的温度下，如果金属表面没有阻止氧扩散的隔膜，则某些材料会发生相当快速的氧化破坏。若高温合金中铝含量足够高，则在高温卞将在合金表面形成氧化铝，这样，合金在氧化的初期自身产生一个致密的附着力强的氧化铝保护膜。但是，为获得高强度和金属稳定性等优良性能的合金，其成分要求不一定能满足使合金自身抗腐蚀和抗氧化的最佳条件，所以现在使用的很多高强度高温合金不能形成完好的保护膜，因此，大多数高温合金都必须靠特殊的工程涂料来实现其氧化保护。防氧化与腐蚀的措施在燃料和空气质量方面，各公司都做了许多限制和规定。天然气在这方面问题不很突出；在材料和涂层方面，积极地试验与研究，但余地不多；部件设计方面，比如冷却等方面。二、高温合金及涂层高温合金材料高温合金部件制造工艺 高温合金保护涂层及工艺 燃气轮机中高温涂层的使用1、高温合金材料在650度以上温度时，具有一定的力学性能和抗氧化、耐腐蚀性能；较高的高温强度；抗疲劳性能、断裂韧性、塑性主要有铁基、镍基、钴基高温合金2、高温合金部件制造工艺高温合金的冶金工艺冶炼的主要手段：电弧炉、真空感应炉和非真空感应炉；真空感应炉的采用是为了进一步降低夹杂物的含量；高温合金的制造工艺 含铝、钛、高熔点金属较少，热强度较低的合金锭可采用锻轧工艺； 高熔点金属较多，热强度较高时，不适合锻轧，而选择铸造；通过精密铸造工艺可以制作成空心或多孔形叶片。 需要融入大量高熔点的金属（钼，钨等） 可采用粉末冶金工艺，合金化程度超过铸造合金 高温合金的铸造工艺-普通铸造 熔融的合金在铸型中逐渐冷却； 晶粒不断长大，最后充满整个零件；晶粒间的界面称为晶界，往往存在较多杂质和缺陷，成为最薄弱的易破坏区； 在一般条件下的铸造为普通铸造。 高温合金的铸造工艺-定向铸造 定向铸造的目的就是形成并列的柱状晶，消除横向晶界，使透平叶片工作时最大的离心力与柱晶之间的纵向晶界平行，减少了晶界断裂的可能性； 与普通铸造相比，定向柱晶组织更耐高温腐蚀，可使工作温度提高约50度，还使疲劳寿命提高10倍以上。 高温合金的铸造工艺-单晶铸造 单晶铸造的透平叶片只有一个晶粒，完全消除了晶界的有害作用； 单晶铸造过程的特点是控制熔融金属在铸型内的散热条件，只允许一个优选的柱晶长大； 单晶叶片相比前两种有最佳的性能。三菱M701F 透平叶片材料3、高温合金保护涂层及工艺三种类型的高温合金保护涂层（1）扩散涂层用于较高温度下需要抗氧化、抗腐蚀的部件.主要有氧化铝涂层和改进型氧化铝涂层.3、高温合金保护涂层及工艺（2）包覆涂层用于极高温度下需要抗氧化的部件，用作独立涂层或热障涂层的底层.一般为MCrAlY，其中M是基体元素，可以是Ni或Co（钴）或合用；Al是生成Al2O3的必需元素；Y质量分数一般在1%以下，起到细化晶粒、改善Al2O3膜与基体结合力的作用。3、高温合金保护涂层及工艺（3）热障涂层隔热作用，包含4个部分：基体，及被保护的零件金属结合层：通常为MCrAlY热生长氧化物层：致密的Al2O3薄膜，保护基体陶瓷顶层：低的热导率，优越的热障和耐热冲击性能3、高温合金保护涂层及工艺高温合金保护涂层的施加工艺（1）热喷涂工艺高速氧