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燃机部件热障涂层的质量检测方法 范瑞芬 (北京工业大学材料科学与工程学院， 北京100022) 摘要：本文采用理化分析方法对电站燃气轮机高温邯件热障涂层的喷席修复质量进行了检 剥和评定．所采取的分析方法可作为喷涂工艺稳定性监控与质量管理的一个有效连经． 关键词：高温部件热障涂层等离子喷涂质量检剥再制造 l、前言 等离子喷涂工艺是获得材料表面功能涂层的有效手段，具有生产效车高、效果显著、喷 涂材料选择范围广、成本低等优点。因此，近十几年来应用发展很快，现己广泛用于核能、 航天航空、电站、石化、机械制造等领域，并成为重要部件修复与再制造的一个主要手段【1瑚。 但是，等离子喷涂工艺过程比较复杂．影响涂层质量的因素较多，尤其是在实际生产中由于 喷涂工艺参数如电弧的功率、喷涂距离、角度等的不同均会导致涂层性能的差异f31．因此， 对喷综层的检测和评定成为该类再制造部件修复质量控制的一个必要环节。本文的工作是针 对电站燃气轮机高温部件热障涂层的喷涂修复．通过对喷涂层的理化性能分析．作为对喷涂 层修复质量进行检测与评价的一种手段。 2、热障涂层的组成及试样备制 将陶瓷热障涂层(TBCs)技术用于燃气轮机的高温台金部件的表面，可降低金属表面温度， 提高燃气温度，从而提高燃气轮机效率，延长其使用寿命。目前应用于燃机高温部件的热障涂 层一般由过渡层(连接层，bond coats)。过渡层采用 coats)和外层的绝热陶瓷层(面层，top MCrAIX合金，作用是保护基材在高温下免受氧化和腐蚀，实现陶瓷层与基体热胀系数的过 渡，并为陶瓷层提供粗糙表面。面层的主要成分为氧化锆，其作用是承受高的表面温度．抗 热冲击．耐磨损，隔热性能好，是目前作为热障涂层中普遍应用的陶瓷材料pl。 为了实现对热障涂层的厚度、均匀性、气隙率、硬度、成分及各层间界面等捂况进行观 测，由喷涂加工部门提供与工件材料及厚度相似、用相同喷涂工艺完成的、面积约100mm 见方的试样一块。对该试样用切样机切割，取其近中间部分作成观测样品。涂层在磨制过程 中容易形成倒角．要对金相试样做镶嵌。图l是热障涂层的典型形貌，由图可见基体、中间 过渡层、表面层及其界面的情况。 图1热障涂层典型形貌(200X) 3、热障涂层质量的检测 3．1喷涂层的微观检测 用日立S--3500N型扫描电镜观察样品喷涂层形貌、均匀性、厚度及层间界面等信息。 如图l可见，喷涂涂层是由粉末材料在等离子喷焰作用下，在基体表面形成了以变形粒子相 互交错、呈波浪式堆叠的层状组织结构，颗粒与颗粒之闻容易形成孔隙或空洞等缺欠。对试 样涂层用面积法统计，过渡层的孔隙率约为18％；表面层的孔隙率约为10％。同时，可测 得该试样热障涂层的过渡层厚度的多点统计平均值为0．12ram：表面层厚度的多点统计平均 值为0．21ram。基体与过渡层的结合良好．但有少量夹杂物存在于基体与过渡层的界面，似 为表面喷沙时的附着微小颗粒：过渡层与表面层结合情况较好，未见连续性的孔隙、空洞或 琉松、氧化物夹杂等缺陷。 根据实际应用的经验与要求。燃气轮机火焰筒的热障涂层厚度应在O．30—O．45mm；其 中隔热陶瓷表面层的厚度通常为0．20—0．3ram，过渡层的厚度为0．10一0．15mm，表面层厚 度近似于过渡层厚度的1．8—2倍。因此，对照所测数据该试样的表面层厚度基本达到该类 部件修复的要求。另外，出于对应变容限或抗热展性能的考虑，其孔隙率视不同使崩场合允 许在4％--20％之间。但孔隙率较高时，会加剧燃气中硫化物与涂层的腐蚀作用，对Zr02的 相稳定和涂层应力都是不利的．因此，从试样测得的空隙率对于以重油为主要燃料的燃机火 焰筒来说是偏高的。 3．2喷涂层的成分 图2是热障涂层的过渡层(a)和表面层(b)截面的SEM形貌，以及用牛津INCAX射线能 谱仪对涂层成分分析的各点位置示意。如图2(a)所示。过渡层MCrAIY台金中所含的Y203 主要存在于条状结构内， ％)，Co(3．04％)，Ni(1 86％)，Y10．98％)；而图中自色区域的成分(如C点)为：Al 镁作稳定剂的锆酸镁材料，在图20)ae可分辨出