燃气轮机透平叶片涂层技术

左：表面镀铂后的叶片 右：电化学工作槽
2015/3/20 中国科学院金属研究所 表面工程研究部 17
透平叶片涂层技术
谢谢！
2015/3/20
中国科学院金属研究所 表面工程研究部
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金属研究所表面工程部制备 MCrAlY涂层+热障涂层
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中国科学院金属研究所 表面工程研究部
叶片涂层制备技术-CVD
Chemical Vapor Deposition 化学气象沉积 主要用于在叶片表面涂覆铝化 物涂层和改性铝化物涂层。 优点：结合力优异 沉积速度快 可沉积叶片内腔
叶片使用的涂层历史
简单铝化物涂层
1911, Van Aller Aluminde Coating Patent, USA
改性铝化物涂层
MCrAlY 涂层 热障涂层
1972, GE Platinum aluminide coating Patent, USA
1942, World War II Germany first used it in planes
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冷却系统
高压燃气室温度 1700~1850℃
空气冷却后叶片工作温度 1400~1500℃
高温合金工作温度
1000~1100℃
通过空心叶片冷却系统可以将叶片工作温度降低到1400~1500℃ ，而陶瓷隔热层可以进一步将其降低到高温合金允许的工作温 度 1000~1100 ℃ 2015/3/20 11 中国科学院金属研究所 表面工程研究部
金属研究所表面工程部制备简单 铝化物涂层
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改性铝化物涂层
改性铝化物涂层分为： 铬改性铝化物涂层； 硅改性铝化物涂层； 钴改性铝化物涂层； 铂改性铝化物涂层； 稀土元素改性铝化物涂层等。 其中铂改性铝化物涂层抗腐蚀 性能最为优良，是一种重型防 护涂层。 表面工程研究部成功研制单相 铂铝涂层，具有较好的韧性， 更加适应航空发动机的工作条 件。
燃气轮机透平叶片涂层技术
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燃气轮机应用
发电 舰艇 航空器
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世界上主要的航空发动机生产商
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燃气轮机及其内部透平叶片
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中国科学院金属研究所 表面工程研wk.baidu.com部
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燃气轮机及其内部透平叶片
一级进气涡轮叶片 低油耗 韧性好 抗外物损伤 耐腐蚀，不需要润滑油 无需维护
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燃气轮机及其内部透平叶片
二级压缩室叶片 压缩比:10倍，最高热效率 低油耗
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燃气轮机及其内部透平叶片
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美国通用电气生产铂铝涂层
金属研究所表面工程部 制备铂铝涂层
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中国科学院金属研究所 表面工程研究部
MCrAlY涂层+热障涂层
MCrAlY涂层和铂铝涂层既可以作为粘结层与顶层 热障涂层一起使用，也可以单独使用。提高叶片 使用温度，同时提高其耐腐蚀性能。
热障涂层
MCrAlY涂层
金属研究所表面工程部EB-PVD设备 用于制备生产热障涂层和MCrAlY涂 层
MCrAlY Coating
Thermal Barrier Coating 2014
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简单铝化物涂层
简单铝化物涂层利用化学气相 沉积、包埋法等方式高温下在 叶片表面渗铝，形成一层富含 铝元素的涂层，为叶片提供防 护。 金属研究所表面工程部制备简 单铝化物涂层满足ASTM B87596美国标准，并可根据用户需 求定制特殊涂层。
表面工程部工业用大型CVD渗 铝炉，可以满足大部分部件渗 铝要求
气相渗铝装置及粉末、部件摆放位置示 意图
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叶片涂层修复技术-可修复铂铝和MCrAlY涂层
利用电化学和化学气象沉积技 术，将使用后叶片表面溶解并 再涂覆铂铝/MCrAlY涂层。 主要用于在叶片表面再涂覆铂 铝涂层。 延长叶片使用寿命。
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燃气轮机及其内部透平叶片
根据燃气轮机型号用途不同，每一级的叶片数量和材料也不一 样，其中高压燃气室工作条件恶劣，叶片由于腐蚀寿命短于其 疲劳寿命，使用一段时间后必须修复表面抗腐蚀涂层，保证叶 片的服役寿命。
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高压燃气室叶片
高压燃气室叶片工作在温度最高、环境最恶劣的高压燃气室内， 对材料要求严格，主要由单晶高温合金、粘结层和陶瓷层组成。 为提高其使用温度，叶片还配有冷却系统。
三级高压燃气室叶片 四代航空设计: 效率高 空心冷却: 服役寿命长 单晶材料：力学性能优越 耐腐蚀粘结层：良好韧性和耐腐蚀性能 陶瓷涂层：隔热性能良好
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燃气轮机及其内部透平叶片
四级低压涡轮叶片 钛铝合金：重量轻，能耗低
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