可研磨涂层提高燃气轮机效率

背景

喷射发动机叶片能够安全地摩擦可磨损的护罩衬片的操作温度已显着增加350至1200℃。这是通过执行磨损机制研究和与主要发动机制造商密切合作实现的。

燃气轮机发动机效率提高的方法

在过去二十年中，空中交通量大幅度增加，而消耗的燃料总量几乎没有变化。喷气发动机制造商通过提高发动机效率和发电能力为这一目标做出了巨大贡献。这是通过提高操作温度，通过使用有效的空气动力学设计和使用轻质材料来实现的。亚博网站下载由于这些都是成熟的技术，进一步提高效率的最后手段之一就是减小叶尖与机匣之间的间隙距离。这种效率的提高可以为航空公司节省大量的运营成本。可磨损涂层的应用还增加了喘振裕度，从而增加了发动机流动条件的稳定性和主动安全性。

利用Abradables

Abradables并不局限于航空发动机。它们可用于大多数旋转机械，如固定式燃气轮机、涡轮压缩机、径向压缩机、涡轮增压器和泵。Sulzer Innotec和Sulzer Metco与大多数主要喷气发动机制造商密切合作，在可磨损涂层的开发方面处于世界领先地位，以应对整个喷气发动机的运行条件(图1)。

发展Abradables

磨损性的发展需要许多测试，从粉末制造到选择最佳的热喷涂过程，以便模拟实验室测试，最后，现场试验。这将导致发动机制造商认证磨损。目标是生产一种不会引起刀片磨损的密封，这保持了光滑的护罩表面，并且保持了成千上万的运行时间。

磨损的功能

叶尖与机匣间隙的缩小会导致叶片与护罩的摩擦。然而，通过在裹尸布上涂上可磨损材料，这种相互作用是可以容忍的。热喷涂涂层被设计成在高速叶片加工时释放细小的磨损碎片，而不会造成叶片磨损(图2)。

在所有可能的切削条件下，可研磨涂层必须保持光滑，以最少的开槽、断裂或对刀片造成磨损。良好的磨料可适应因改变摩擦条件而产生的不同磨损机制，即叶片材料、温度、叶尖速度和侵入率。

可研磨涂层如何工作?

当滑动在可磨损的表面上时，刀片尖端撞击从涂层表面突出的涂层颗粒。yabo214冲击力将单个颗粒驱动到涂层中。储存的弹性能量导致颗粒反弹和去粘合。由于新创建的自由表面，磨损碎片具有更大的体积。释放的粒子（磨损碎片）现在必须有机会逃脱。这需要薄片尖端横截面或粗糙，砂纸状表面上的叶片尖端。叶片尖端和涂层之间的粒子夹紧导致剪切力和涂层的局部塑性变形或破裂。研磨过程所需的能量由刀片尖端供应。打破个体突出的颗粒必须足够，从而产生新表面。yabo214颗粒键越大，刀片尖端必须供电的能量越多，以便释放颗粒。yabo214 If the forces are too high the blade tip heats up and begins to wear, sometimes by abrasion but predominantly by melting.

在专用的摩擦计上进行的实验室试验使研究刀刃切成可磨损材料时的磨损机制成为可能。将这些信息转换成一个模型，该模型不仅考虑了操作条件，而且考虑了涂层的结构、叶片材料和叶尖设计。通过应用该模型，已经开发出能够在高达1200°C的表面温度下工作的涂层。基体材料范围从用于低温亚博网站下载的Al-Si，用于中温的MCrAlY到用于高温涡轮截面的钇稳定氧化锆，见表1。

表格1。各种涂料的相关性能。

加强耐磨性

为了提高耐磨性，必须降低粒子脱离的能量。因此，该模型需要小的基质颗粒、产生孔隙的聚合物和固体润滑剂或释放剂在涂层中充当错位剂。yabo214在热喷涂沉积过程中，聚合物相降低了涂层的应力，从而允许厚涂层的沉积。当在随后的热处理中烧坏时，涂层的耐磨性进一步提高(图3)。

图3显示了侧视图，刀片通过可磨损的表面。表yabo214面颗粒受到的影响如下:

•粒子I被刀片撞击，通过动量传递，加速向下进入涂层。

•粒子II早些时候受到了冲击，并且仍然向下移动，使邻近的粒子自身发生弹性变形。yabo214

•粒子III已经将其在撞击期间吸收的所有能量转化为弹性能量。

•粒子IV由于释放了储存的弹性能量而从涂层中加速出来，并从周围的粒子中挣脱出来。yabo214

•由于薄叶片尖端，粒子V能够离开可磨损的涂层的表面。

•粒子VI已自由打破并通过发动机传递。磨损碎片的小尺寸不会对以下刀片和叶片造成抵押品损坏。

陶瓷Abradables

对于900°C以上的工作温度，只有陶瓷基耐磨材料是合适的。为了切割陶瓷基的可磨料，刀片尖端必须用良好粘附的磨料增强。用激光重熔同时注入硬颗粒的方法对叶尖进行重熔，取得了很好的效果。yabo214在陶瓷基体磨料中，不需要使用释放剂，因为陶瓷易磨损。图3所示的陶瓷磨料模型是基于这样一种思想，即叶尖和叶冠表面之间的相互作用必然导致涂层磨损碎片的脆性释放。碎片应该带走尽可能多的相互作用的能量。必须避免刀片在密封件上的持续滑动。接触必须导致碎片的形成，并使护罩不再与尖端接触。如果不遵守这一规则，并且允许任何一对成员的塑性变形发生，或非常光滑的表面产生的结果是延长滑动接触的尖端在裹尸布。其结果是熔化磨损将成为主要机制。 The rub experienced by the tip is continuous, as opposed to the intermittent rub for the shroud. The tip has less time and mass available for cooling. Thus, if melting wear is the dominant mechanism, substantial blade wear caused by melting will take place.

磨损高速

进一步观察发现，大约100m/s以上的碎片被释放到叶片后部。在传统加工中看到的切屑形成不会发生。叶片移动很大程度上平行于叶冠表面，但由于入侵，垂直速度分量也存在。这就导致了叶冠表面凸体与叶尖之间的碰撞。动量从叶片转移到表面突出处发生。粒子被迫离开尖端进入涂层。储存的弹性能将质点向上推向自由表面。当叶尖通过后，如果粒子的结合力弱于向外的力，粒子将会从表面脱离，并带走大部分的冲击能量。这是一种有效的佩戴方式。

尖端宽度的影响

当涂层在表面区断裂成单独的部件时，产生的磨屑体积将比原来的形状更大。这种体积的增加必须由密封系统来调节。因此，叶尖必须非常薄，以允许碎片逃脱到后方。如果不是这样，碎片将被困在裹尸布和尖端之间。高接触压力会导致叶冠破裂，而滑动接触会导致叶尖过热。这可能会引起由熔化引起的尖端磨损。经验表明，当叶尖宽度超过0.7mm时，叶片磨损和叶冠破裂的可能性大大增加

所有这些方面都有助于构建模型，这些车型帮助材料工程师开发以有效方式起作用的可磨损涂层。亚博网站下载发生叶片涂层相互作用的效率有助于从机器中汲取功率效率的宝贵额外百分比。

涂料应用技术

磨损器通过火焰，高速氧燃料（HVOF）和大气等离子体喷涂（AP）施加。火焰喷涂能够产生非常多孔的涂层，但这种孔隙率的再现性强烈取决于工艺参数。在切割期间，太高的孔隙率可以易于压实。HVOF和APS涂层被相对密集地喷洒，因此需要牺牲阶段，可以被烧坏以产生孔隙率。APS和HVOF通常是优选的，因为它们可控的喷涂参数确保可重复的质量。

初级作者：Farshad Ghasripoor博士，Richard Schmid和Mitchell Dorfman

资料来源:《材料亚博网站下载世界》第5卷第5期第328-30页，1997年6月。

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