燃气轮机透平叶片高温合金涂层服役温度的预测方法

摘要

燃气轮机透平叶片高温合金涂层服役温度的预测方法，属于燃气轮机热端部件寿命预测和表面涂层服役状态监测技术领域。本发明通过实验手段和数值计算相结合，测定涂层的组织变化，获得涂层中内扩散组织尺寸L；带入寿命预测计算模型中预测温度，对服役后的燃气轮机透平叶片表面涂层进行温度预测，同时根据气动、传热、强度等数值计算得到高温合金基体母材的温度，通过温度修正得到涂层的计算温度，然后与涂层的实验温度进行比较，从而获得更接近于实际服役环境的涂层温度，为进一步寿命预测提供温度参数。

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机热端部件服役后高温合金涂层寿命的预测方法，尤其涉及温度预测的操作和处理方法。 

背景技术

燃气轮机涡轮叶片中动叶片采用Ni基高温合金，在几大主要燃机制造商制造的E级、F级机组中动叶上使用了抗氧化防腐蚀涂层。涂层主要为MCrAlY高温抗氧化粘结层，起到抗氧化和防腐蚀的作用，随着燃气轮机机组进口温度升高透平叶片表面还会涂覆YSZ（氧化钇稳定氧化锆）涂层，起到隔绝温度的作用，部分机组中涂层也会涂覆渗铝层，提高抗氧化能力。典型的热障涂层体系是由涂覆于基体上的MCrAlY（M=Ni，Co或二者兼有）高温抗氧化粘结层和以Y₂O₃部分稳定的ZrO₂为主要成分的热障陶瓷顶层组成（如图5所示）。高温氧化过程中，高温抗氧化粘结层和热障陶瓷层之间会形成一层热生长氧化物（TGO），阻止氧进一步扩散，起到保护基体材料不受侵蚀的作用。然而，TGO厚度增长所产生的应力将直接导致裂纹的萌生和扩展，造成涂层剥落失效，以及涂层有效相消失而失去抗氧化防腐蚀的功能。因此，粘结层的氧化速率成为影响涂层使用寿命的关键问题之一。燃气轮机为了获得更高效率，透平的温度和冷却的技术不断发展，动叶片的服役环境越来越恶劣，高昂的维修和更换费用使得用户越来越关心机组的服役情况，急切地希望获得更先进的涂层，更准确的基体温度的预测方法和涂层寿命预测方法。 

服役过程中，透平叶片需要保持一定的强度和力学性能，随着燃气温度升高，金属长期稳定服役的温度已经达到了极限值，通过不同冷却方式来达到降低叶片表面及内部使用温度，保持金属的优越性能；为了提高其抗高温氧化和抗腐蚀性能，燃气轮机各主要生产和设计厂商对叶片进行冷却设计和涂层保护，部分机组的冷却效果已经达到了要求，在表面涂覆有高温抗氧化粘结层。 

高温抗氧化粘结层在服役过程中都存在铝元素的向内和向外的扩散，在表层形成一层致密的氧化铝，阻止氧原子继续扩散，氧化铝的厚度变化与服役的时间和温度呈正比例关系。氧化物成分和氧化层厚度是涂层服役寿命的两个重要的影响参数，因此获得更准确的涂层实际服役温度就可以得到涂层的使用安全性，对于研究涂层寿命具有重要的意义。 

发明内容

本发明的目的是提供一种燃气轮机透平叶片高温合金涂层服役温度的预测方法，解决涡轮发动机高温部件在服役过程中容易出现高温合金涂层的氧化失效监测问题，获得更准确的高温合金涂层实际服役温度，从而提高高温合金涂层和机组使用的安全性。 

为了实现上述的目的，本发明的技术方案如下； 

一种燃气轮机透平叶片高温合金涂层服役温度的预测方法，其特征在于该方法包括以下步骤： 

1）在透平叶片叶身部位需要预测温度处横截面上进行线切割，制备试样，采用破坏性金相分析方法得到取样位置处涂层服役后内部扩散层组织尺寸L； 

2）通过寿命预测公式$>T_0=f(L,t)=-\frac{Q}{2R}·\frac{1}{\mathrm{Ln}\left(\frac{L-L_0}{{(K_0·t)}^{1/2}}\right)}...\left(1\right)$>

得到高温合金涂层内扩散层界面处的涂层实验温度T₀,式中：Q为活化能常数，K₀为化学反应速率常数，Q和K₀与涂层成分、制备工艺和涂层服役状态有关，通过不同温度下氧化实验获得参数；R为气体常数；t为服役后机组运行的总时间，L₀为服役前初始状态的涂层内扩散层组织尺寸； 

3）针对透平叶片服役环境和热边界条件，借助于ABAQUS有限元分析软件对叶片进行温度场分析，得到任意位置处高温合金基体母材温度分布曲线，从而得到任意点基体计算温度T₁； 

4）利用T₀’=T₁+δ，对基体计算温度T₁进行修正，得到高温合金涂层计算温度T₀’，其中δ取值范围为2～10℃； 

5）高温合金涂层计算温度T₀’与高温合金涂层实验温度T₀相比较，如果T₀<T₀’，则此处服役温度要低于涂层计算温度，涂层处于安全区域内，以T₀’作为高温合金涂层服役温度；如果T₀≧T₀’，此处实验温度要高于涂层计算温度，涂层处于较高的服役温度下，则以T₀作为高温合金涂层服役温度。 

本发明所述高温合金涂层为基体近表面涂层，高温合金涂层实验温度为高温合金涂层与基体界面处温度；对于涂层发生了烧蚀或热腐蚀现象，涂层内扩散层组织尺寸无法测量时，高温合金涂层实验温度采用高温合金涂层相近位置处的高温合金涂层与基体界面处的实验温度予以取代。 

本发明所述的内部扩散层组织尺寸L，是指完整的保留涂层中铝元素、铬元素扩散和变化的区域，其中L的尺寸为采用在5mm长度范围内连续拍摄5~10张金相图片，测定50～100 个测定值取其平均值。 

本发明所述的高温合金涂层为MCrAlY涂层、MCrAlY+渗铝层或MCrAlY+TBC层。 

本发明具有以下优点及突出性效果：①机组在服役过程中，由于透平叶片运行特点，很难实现实时温度监控，则很难对透平叶片寿命和运行状态进行评估，而涂层服役温度的高低，直接影响透平叶片表面高温合金涂层氧化、热腐蚀和基体力学性能变化，因此，获得准确的机组叶片高温合金涂层服役温度，对于叶片的寿命预测具有重要的意义。实验方法和计算方法得到的高温合金涂层温度，通过相互对比，找到更能够代表叶片和涂层的实际服役温度的数值，可以为涂层寿命预测提供更准确的服役温度。②以往的文献和专利技术中，对高温合金涂层的服役温度，通过金相分析的手段得到计算温度，并没有对其准确性进行分析，无法证明其代表叶片高温合金涂层实际的服役温度，通过本发明的操作，引入了修正值δ，利用合金基体计算温度预测高温合金涂层计算温度，将涂层的计算温度和实验温度进行对比，可获得更接近于实际服役状态的温度，判断高温合金涂层的安全性。③关于修正值δ的确定，基于高温合金涂层的热传导是均匀的，相同服役环境下涂层的温度分布是相似的，通过经验总结和数据积累，可以调整δ值，不同的温度预测点存在不同的δ值，通过重点区域的温度预测位置进行监控，保证叶身位置危险部位不出现损坏，即可以保证叶身的其它部位不存在危险。 

附图说明

图1带渗铝层的MCrAlY涂层服役后组织变化示意图。 

图2某型号燃气轮机Bucket1一级动叶涂层电镜照片。 

图3某型号燃气轮机Bucket2一级动叶涂层电镜照片。 

图4某型号叶片基体计算温度和涂层实验温度对比图。 

图5陶瓷涂层隔热效果和基体与涂层的温度差异示意图。 

具体实施方式

本发明提供的一种燃气轮机透平叶片高温合金涂层服役温度的预测方法，其具体实施方式以下： 

1）在透平叶片叶身部位需要预测温度处横截面上进行线切割，可对透平叶片叶身任意位置进行取样分析，制备试样，采用破坏性金相分析方法得到取样位置处涂层中内部扩散层的组织尺寸L； 

为了实现上述目标，叶身高度选取应遵循以平台区水平面作为基准线，平台区前缘位置作为原点，沿前缘边缘线至叶顶前缘进行垂直测量，对高度进行十等分，叶冠作为叶身100% 位置，同样选取平台区尾缘位置作为原点，沿尾缘边缘线至叶顶尾缘进行垂直测量，同样等分高度，将同等高度的取样点以直线连接，作为线切割的切割平面，可获得任意高度的取样截面，在取样截面内选取不同位置进行温度预测，一般情况下，至少要取4个位置，包括前缘、尾缘、压力面中间和吸力面中间。涂层取样的预测温度为局部区域，为保证其预测的准确性，测量的范围在5mm范围内的涂层表面。制备试样，通过背散射扫描电镜观测高温合金涂层与基体界面处的内部扩散层组织尺寸，采用统计方法测定内部扩散层L的平均值。内部扩散层组织尺寸L，指完整的保留涂层中铝元素、铬元素扩散和变化的区域，其中L的尺寸为采用在5mm长度范围内连续拍摄5~10张金相图片，测定50～100个测定值取其平均值。 

2）通过寿命预测公式 其中Q为活化能常数，K₀为化学反应速率常数，推导出涂层服役温度，Q和K₀与涂层成分，制备工艺和涂层服役状态有关，可通过不同温度下高温氧化实验获得；R为气体常数；t为服役后机组运行的总时间，L₀为服役前初始状态的涂层内扩散层厚度。 

为了实现上述的目标，需要对服役后叶片的高温合金涂层金相组织进行表征，参照技术方案1的要求，得到内部扩散层组织尺寸L，其次确定高温合金涂层的性质，包括高温合金涂层的种类和组织相变化，以及高温合金涂层的制备工艺，确定高温合金涂层的Q值和K₀值，涂层性质不同，制备工艺不同，Q值和K₀值相差很大。部分服役后的高温合金涂层由于受到热腐蚀、氧化和烧蚀等情况，特征组织遭到破坏，无法进行实验温度预测，此处的温度即可定义为危险温度以上，涂层发生失效，也可采用如下原则，对于高温合金涂层内扩散层组织尺寸无法测量，高温合金涂层预测温度采用高温合金涂层相近位置处的高温合金涂层与基体界面处的实验温度予以取代。 

3）为了得到基体温度分布曲线，需要进行如下步骤：通过CFD流场分析软件计算得到热边界条件，包括叶片壁面附近流体温度和对流换热系数，利用插值软件FSI将CFD流场分析的网格与ABAQUS中热分析计算网格对应，经坐标转换后，把CFD流场分析得到的壁面附近大量的流体节点温度数据转化为表面温度值，借助ABAQUS有限元分析软件对叶片进行温度场分析，得到叶片表面的温度分布云图，通过取值，可以得到任意位置或任意截面的高温合金基体母材的温度分布曲线，从而得到任意点的基体计算温度T₁。 

4）为了得到高温合金涂层的计算温度T₀’，根据公式T₀’=T₁+δ，对基体计算温度T₁进行修正，得到高温合金涂层计算温度T₀’，其中δ取值范围为2～10℃。δ为基体计算温 度和高温合金涂层的计算温度的差值，确定该差值的原则为高温合金涂层与基体之间存在均匀的热传导，同时考虑实际服役状态中隔热涂层和燃气的作用，求得δ差值在合理范围内，获得预测后的高温合金涂层温度，与金相破坏性试验测定涂层温度相比较； 

5）为了获得高温合金涂层的实际服役温度，需要将高温合金涂层计算温度T₀’与高温合金涂层实验温度T₀相比较，如果获得的高温合金涂层温度T₀<T₀’，则表明此处温度要低于计算涂层温度，涂层处于安全区域内，以T₀’作为预测温度，带入寿命预测模型，预测涂层剩余寿命，可得到最低的安全范围，如果高温合金涂层实验温度和计算温度之间存在T₀≧T₀’，则表明此处涂层实验温度要高于涂层计算温度，要用涂层实验温度T₀带入寿命预测模型中，获得的寿命预测结果更接近于高温合金涂层使用剩余寿命。 

不同机组叶片高温合金涂层不同，修正δ差值不同，对于存在破坏的高温合金涂层，若采用就近原则和可预测原则得到接近的涂层实验温度，一般情况下，前缘位置选择靠近压力面一侧的涂层试验温度，尾缘位置选择靠近吸力面的一侧涂层实验温度作为危险位置涂层实验温度。 

6）所述的高温合金涂层为MCrAlY涂层、MCrAlY+渗铝层或MCrAlY+TBC层。 

本发明的特征及优点将通过实施例及附图进行详细说明。对于服役后某型号燃气轮机透平一级动叶进行试验验证，选取叶身60%位置取样为例，此型号机组一级动叶表面涂层为MCrAlY高温合金层，外层涂覆一层渗铝层。 

实施例l： 

叶片Bucket1的运行历史记录，总运行时间30500小时以上，重油运行25000小时以上，24000小时后涂层重新修复，点火启动1798次，叶片服役后卸下，对表面进行宏观检查，叶片表面因为烧重油而形成严重的污垢，经过清洗后发现，叶身50%~60%位置的尾缘存在烧蚀痕迹，为了进一步分析涂层的组织变化和预测温度，进行了破坏性检测。 

为保护高温合金涂层原始形貌在制备过程中不被破坏，采用温和化学镀镍方法对涂层进行保护，表面沉积镀镍层后，热镶样，制备试样后抛光、干燥和喷碳处理，背散射观测高温合金涂层形貌如图2所示，表层为化学镀镍层，下层为氧化物层，向内为渗铝层，内部与基体之间存在元素扩散而出现内部扩散层，此层与基体存在明显界面，随着服役温度升高和服役时间延长，内扩散层逐渐增大，直至涂层有效相消耗完全失去保护作用。 

通过电镜观测得到高温合金涂层内扩散组织金相图片，每个取样位置摄取5~10张照片，每张照片等距离均匀选取10个位置，通过统计计算获得高温合金涂层内部扩散层组织尺寸L，同时确定涂层的性质和制备工艺，确定Q值和K₀值，代入公式中 计算得到高温合金涂层内扩散层界面处的温度值（涂层试验温度）T₀。 

为了获得基体的计算温度分布曲线，通过CFD流场分析软件计算得到热边界条件，包括叶片壁面附近流体温度和对流换热系数，利用插值软件FSI将CFD流场分析的网格与ABAQUS中热分析计算网格对应，经坐标转换后，把CFD流场分析得到的壁面附近大量的流体节点温度数据转化为表面温度值，借助ABAQUS有限元分析软件对叶片进行温度场分析，得到叶片表面的温度分布云图，通过取值，可以得到任意位置或任意截面的高温合金基体母材的温度分布曲线，对叶身60%截面进行温度取值，得到温度分布曲线如图4所示，可对曲线部分任意取值得到叶身高度60%位置的任意位置的基体计算温度T₁。 

为了获得近基体的高温合金涂层计算温度T₀’，利用修正公式T₀’=T₁+δ，其中δ由经验值决定，取值范围为2~10℃，如果获得涂层温度T₀<T₀’，则表明此处高温合金涂层实验温度要低于计算温度，涂层处于安全区域内，以T₀’作为涂层实际预测温度，带入寿命预测模型，预测涂层剩余寿命，能够得到不低于剩余寿命的安全使用范围；如果高温合金涂层计算温度低于实验测定温度T₀＞T₀’，则表面透平叶片在较高的温度下运行使用，高温合金涂层处于不安全的运行环境中，T₀作为涂层实际预测温度带入寿命预测模型中，获得的结果更能代表高温合金涂层使用情况和剩余寿命。其中图4列举了几个位置的叶片Bucket1叶片基体温度和服役后叶片涂层温度对比曲线图。以Bucket1叶片尾缘位置金相分析得到的实验温度为923℃，计算得到基体温度为956℃，经验值δ值取8℃，此处的计算温度为964℃，则923℃<964℃，应取之964℃作为叶身尾缘位置的寿命预测服役温度，带入寿命预测模型 中，高温合金涂层内扩散层组织尺寸L选取计算得到失效的临界尺寸，确定Q值和K₀值，计算结果得到高温服役涂层的剩余寿命为2000h，机组的其他叶片继续安全运行了2000h，涂层达到服役寿命，需要从新喷涂，为机组的延寿做出了指导。 

叶片Bucket2的运行历史数据为总运行时间为72000小时，48000小时后涂层重新修复过，总点火时间为200小时，一年启停2~3次，燃料为天然气。与Bucket1叶片的设计结构相同，采用12孔直立冷却通道冷却叶身。 

对表面进行宏观观测，叶片表面烧天然气，不存在腐蚀污垢，主要为氧化产物生成，经过清洗后进行宏观观测，叶身50%~60%位置尾缘无烧蚀问题，为了进一步分析涂层组织变化 和预测温度，进行破坏性金相检测。 

为了保护涂层的原始形貌在制备过程中不被破坏，采用与Bucket1相同的处理方法进行试样制备，背散射观测获得高温合金涂层内扩散层组织尺寸L的数值，确定涂层的成分和制备工艺与Bucket1相同，则Q值、K₀值以及L₀值相同，代入公式中 计算得到涂层内扩散层处的实验温度T₀，由于叶片材料和设计结构相同，因此利用气动、传热、强度等数据进行有限元分析的边界条件相同，两组叶片的基体计算温度曲线相同，同样选取叶身尾缘位置的曲线上的基体计算温度值T₁，带入涂层计算温度的修正公式T₀’=T₁+δ，其中δ由经验值决定，定义与前者一致。其中图4列举了叶片Bucket2几个位置高温合金涂层实验温度与基体计算温度的对比关系图，以Bucket2尾缘位置为例，金相分析获得的实验温度为988℃，基体计算温度为956℃，修正值δ取8℃，尾缘位置涂层计算温度为964℃，其中988℃＞964℃，故取988℃作为叶片尾缘位置涂层的实际服役温度，带入寿命预测模型 中，高温合金涂层内扩散层组织尺寸L选取计算得到失效的临界尺寸，确定Q值和K₀值，计算结果得到高温服役涂层的剩余寿命为120h，综合考虑机组的运行状况，认为涂层基本达到服役寿命期限，需要从新喷涂，才能保证机组的安全运行，同时，通过尾缘位置处金相组织的变化情况，高温合金涂层的有效项减少，涂层表面氧化层增厚，涂层部分位置出现了有效项完全消失的现象，可以判断涂层为失效涂层，因此综合分析叶片高温合金涂层需要维修，为电厂用户对机组的服役状态检测做出了指导。