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燃气轮机和电用热喷涂涂层的进展：综述
Canan U. Hardwicke和刘玉秋
（2012年10月19日提交； 2013年1月17日修订）
摘要：功能涂层广泛用于可再生能源，石油和天然气，推进发动机和燃气轮机等能源发电设备的各个领域。智能热喷涂加工在高效制造的这些领域非常重要。先进的热喷涂涂层应用包括热能管理，磨损，氧化，耐腐蚀，密封系统，振动和吸声以及部件修理。本文回顾了能源行业关键涂料的材料，设备，加工和性能方面的现状，特别是大型燃气轮机的发展情况。除了最新的热喷涂技术的工业进步之外，未来的技术需求也得到了强调。
关键词：可磨损，粘结涂层，CMC，TBC，热喷涂，透平涂层，YSZ
介绍
据预测，到2035年，电能将占全球能源消耗的40％左右（参考文献1，2）。这种全球能源需求将通过包括矿石能源（煤炭，石油，天然气），生物能源，风能和太阳能等混合解决方案来实现。热喷涂涂层将继续在这些发电领域实现诸多应用。
热喷涂是一种以熔融或半熔融状态材料沉积到各种组件上以形成涂层的涂覆工艺（参考文献3）。所使用的涂层材料包括各种金属，陶瓷，聚合物和各自的专用混合物。航空航天和工业燃气轮机（IGT）应用占整个全球热喷涂市场的约60％，其中包括材料，设备，消耗品和涂层服务（参考文献4）。其余的40％分布在石油和天然气，生物医药，纸浆和造纸以及电子行业的大量应用中。本文将主要关注IGT领域的最新进展，新兴方法和未来需求。
关于汽轮机位置涂层的传统燃气轮机应用方面的IGT的示意性横截面在图 1中突出显示。现场经验表明，无论事无涂层还是有涂层的涡轮机部件（如涡轮翼面）的使用寿命在很大程度上取决于所用燃料的类型，涡轮机运行周期的持续时间以及部件的表面温度（参考文献5）。更高燃烧温度的趋势增加了对涂层的需求，因为没有涂层却又高负载的合金部件在恶劣环境中工作越来越难以同时具有所需的高强度和令人满意的耐腐蚀性、抗氧化性。
图1 关于汽轮机位置涂层的传统燃气轮机应用
热喷涂涂层主要用于燃烧室和热气流路径部分，其中部件的温度超过材料固有的氧化，耐磨和/或耐腐蚀能力。在过去的40年里，在全球各种操作条件下，提高这些涂料抵抗长时间降解能力的方面取得了长足发展。配有更好理解和涂层行为建模合并的诊断工具高度复杂的涂覆工艺使得涂层性能达到了高标准，因此增加了燃料效率和发动机的可用性（参考文献6，7）。
热喷涂涂层广泛应用于航空和燃气轮机，用于关键部件的隔热; 表面密封和间隙控制; 大气腐蚀保护; 高温氧化和腐蚀控制; 磨损，微动磨损和侵蚀磨损; 和这些的组合（参考文献5，8）。高温涂层供应链包括开发特定应用的原材料（粉末或线材加工），表面处理技术，喷涂设备，高效热处理炉，涂层表征，测试和检测方法。最新处理方法和一些关键应用的进展将在下文更详细地说明。
涂层设备和工艺的发展
在航空和燃气轮机领域中，热喷涂生产的涂层系统包括火焰喷涂，等离子喷涂和电弧喷涂。所用工艺的选择取决于应用，在满足性能和经济目标的同时应仔细考虑涂层和组件材料化学结构，零件几何形状和涂层设计要求。高速燃烧方法可以生产耐磨损，耐腐蚀和抗氧化涂层，如爆炸喷涂（D-Gun@，这是普莱克斯公司的商标），超音速氧气火焰喷涂（HVOF），超音速空气火焰喷涂（HVAF）或低速火焰喷涂。如空气等离子体喷涂（APS）的高温等离子体工艺通常用于沉积热障涂层（TBC），比如通过电子束物理气相沉积（EB-PVD）处理后的钇稳定氧化锆（YSZ）。在最近的一篇评论文章中，Feuerstein等人 （参考文献9）比较了航空和IGT各种涂层工艺的技术和经济方面的应用。
图 2显示了IGT机翼上TBC沉积的APS示例。带有径向粉末喷射的常规APS枪如苏尔寿美科9 MB枪广泛用于TBC应用。这些以40-70千瓦功率级运行的喷枪采用了高电流（600-1000安培）和低电压（70伏直流电）设计以达到所需的功率水平。这种类型的设计存在以下缺点。首先，较高的枪电流会加速阳极和阴极的侵蚀，导致零件寿命相对较短。其次，如图3中的时间分辨图像所示，连续阳极电弧根部运动减少阳极磨损导致高频等离子体射流振荡（1-10kHz） 。这些振荡的大小与喷射颗粒运行时间的顺序相同，这导致颗粒加热不均匀和不足，沉积率较低，效率较低（参考文献10）。例如，通常这种用于YSZ粉末沉积的等离子体枪的沉积率约为60％（参考文献11）。
图2 空气等离子喷涂（APS）的一个实例，展示了喷涂机器人的喷枪端，等离子射
流，正在喷涂的零件和控制操作
图3 （a）具有径向粉末喷射的传统大电流，低电压等离子体枪和（b）连续的时间分辨图像，显示等离子体射流波动导致低效和变化的粉末沉积率
在当前全球可用性和对稀土氧化物如氧化钇的价格挑战下，TBC领域必须使用更高效的沉积工艺。在过去十年中，更高的功率（100-200千瓦）和更有效的商业等离子体喷枪采用低电流（〜500 A）和高压（〜200〜380 V）设计，如苏尔寿美科TriplexProtrade;-200（参考文献12，13），进行100HE（参考文献14，15），级联喷枪（参考文献16）和Praxair TAFA Plazjet喷枪。由于低电流，高电压设计，这种类型的等离子枪具有更长的阳极寿命。这种用于YSZ粉末的等离子体枪的沉积率高达80％。由于高功率等级和较大的喷涂面积，涂层生产周期时间可以在不降低涂层质量的前提下大幅缩短。低电流，高电压设计的另一个优点是高功率水平的低氦和无氦参数喷涂的可行性，考虑到目前全球氦气供应的稀缺程度，这种设计是可取的。
先进的涂层和工艺方法的发展也是一个研究热点。有一个这样的实例是悬浮液或溶液的初期等离子喷涂（SPS或SPPS）方法，用于生产具有表现出类似于EB-PVD沉积的热障涂层的柱状新颖微结构热障涂层（参考文献17 - 19）。对于需要相对薄的（〜250mu;m厚）的TBC沉积厚度，SPS工艺可能是EB-PVD的经济替代品。它也被证明SPS过程可以产生具有报导过的最低导热率的TBC，同时不会牺牲热循环耐久性（参考文献18）。
冷喷涂工艺是另一种正在针对多种工程应用进行研究的新兴热喷涂技术。在过去的十年中，冷喷涂技术的研究论文，专利和专利申请数量呈指数增长（参考文献20 - 23）。在冷喷涂过程中，粉末颗粒以超音速的速度推进到部件的表面以形成涂层。由于沉积速率较高，该工艺有可能修复裂缝并恢复由腐蚀和侵蚀引起的凹陷区域的尺寸。在冷喷涂过程中，粉末不会熔化并在低温下发生沉积。因此，该工艺可以形成沉积与基材结合良好且相对无氧化物的致密涂层和填充材料，其孔隙率与真空等离子喷涂金属涂层相似，基材中无热影响区（参考文献24） 。此外，冷喷涂可以用于修复磨损涂层（参考文献25）。
除了上面提到的设备和工艺开发外，支持技术同样重要。例如，在热喷涂之前，通常通过喷砂来制备要涂覆的表面，以提供用于热喷涂的粗糙表面。形成TBC涂层后，表面经过抛光以达到空气动力学效率。在某些情况下，涂层工艺可能需要后涂层的致密和平滑处理。此外，IGT翼型的表面可能相当大而且复杂，需要完全均匀的爆破，抛光或致密化。近年来，自动化设备的新设计已经投入市场，如旋转分度喷砂系统，TBC抛光和冷却孔清理系统以及表面喷丸系统。这些设备将继续改进以进一步提高制造生产力和质量。
应用
在为特定的涡轮机应用选择涂层时，应考虑许多的竞争挑战。一般来说，设计要求，部件几何形状和部件性能需求决定了涂层的类型以及用于制造该涂层的工艺。
如前几节所述，热喷涂涂层广泛用于能源生产，以实现高效的涡轮机操作。涡轮机效率提高1％意味着
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