海洋環(huán)境下航改燃氣輪機腐蝕防護與控制

由寶財，滕佰秋，邢丕臣，王志宏

（沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽110015）

1 引言

艦船用燃氣輪機主要由航空發(fā)動機派生，因此，充分利用航空發(fā)動機的高端技術(shù)，具有良好的繼承性；大量借鑒航空發(fā)動機不斷取得的研究成果，進行系列化發(fā)展，大大縮短了艦船用燃氣輪機的研制周期，并減少了其研制費用。此外，航改燃氣輪機還具有功率大、尺寸小、質(zhì)量輕、污染小、機動性強、采用箱裝體結(jié)構(gòu)可快速更換等優(yōu)點。因此，航改燃氣輪機已成為艦船的主要動力裝置。由于航空發(fā)動機工作條件已相當(dāng)苛刻，尤其是熱端部件的使用狀態(tài)已接近材料的極限，而航改燃氣輪機又處在鹽霧濃度很高的海洋工作環(huán)境，且壽命周期比航空發(fā)動機的更長，可靠性要求更高，其零部件的腐蝕形式成為影響航改燃氣輪機壽命和可靠性的關(guān)鍵因素。建立合理有效的防護體系，是航改燃氣輪機海洋環(huán)境適應(yīng)化改裝的有力手段和有效保障。

本文從選材和涂層系統(tǒng)2個層面介紹了腐蝕防護設(shè)計。

2 航改燃氣輪機在海洋環(huán)境下的腐蝕形式與機理分析

長期在海上運行的航改燃氣輪機受到的腐蝕主要存在2種形式：低溫?zé)岣g和高溫?zé)岣g。

低溫?zé)岣g主要是由鹽分引起的電化學(xué)腐蝕，與大氣直接接觸的零部件（如壓氣機葉片、燃燒室、渦輪葉片及附件機匣等），在停放期間會不同程度地附著1層含鹽堿的潮濕薄膜。由于金屬表面電化學(xué)性質(zhì)的不均勻性，這層潮濕薄膜就起著電解質(zhì)作用而產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，即濕熱腐蝕。

高溫?zé)岣g也稱為硫蝕。航改燃氣輪機由于在海洋環(huán)境中工作，其燃油中含有硫雜質(zhì)，在燃燒時生成SO2、SO3氣體，與來自海洋空氣的NaCl反應(yīng)生成硫酸鈉，即

由于硫酸鈉的熔點較低（約885℃），當(dāng)它與其它鹽類或金屬氧化物反應(yīng)或混合時，其熔點還會進一步降低，在航改燃氣輪機零件表面生成1層Na2SO4溶鹽膜。盡管Na2SO4是鹽膜的主要成分，但純Na2SO4腐蝕性并不很強，如其中混有少量NaCl，其腐蝕性會大大增強。在開始的短時間內(nèi)，腐蝕速率較低，硫開始擴散，此后由于硫酸鈉中的硫穿透氧化膜擴散到合金中形成硫化物，而氧化物溶解到鹽中并在氧化膜中產(chǎn)生很大的生長應(yīng)力而破壞氧化膜，使之變得疏松多孔，同時也使鹽的成分變化，使其腐蝕性更強，加速了航改燃氣輪機零件腐蝕，增強了事故隱患。

航改燃氣輪機在海洋環(huán)境下的防護是1個系統(tǒng)工程，合理的選材和完備的涂層系統(tǒng)是其中最關(guān)鍵的2個環(huán)節(jié)。合理的選材是整個防護體系的第1個環(huán)節(jié)?；w材料尤其是相關(guān)零件的基體材料必須具有足夠的抗腐蝕性，燃氣輪機如果基體材料耐腐蝕性不好，一旦涂層出現(xiàn)問題，就會出現(xiàn)腐蝕而且發(fā)展得非常快，直接影響航改燃氣輪機的壽命和可靠性。完備的涂層系統(tǒng)是航改燃氣輪機防護體系的第2個環(huán)節(jié)。國外航改燃氣輪機除設(shè)計方面選用一些抗腐蝕性較好的新材料外，在涂層系統(tǒng)設(shè)計上，依據(jù)不同的使用環(huán)境選擇不同的涂層，效果顯著。電鍍層應(yīng)用很少，絕大部分零件采用涂層，并已形成商品化和系列化。涂層易于施工，成本低，對金屬零件性能損害小，而且具有耐溫、耐蝕、耐沖刷、耐發(fā)動機介質(zhì)等綜合性能。因此,涂層系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于發(fā)動機和燃氣輪機的葉片、隔圈等部位的防護上，這是現(xiàn)代航空發(fā)動機和燃氣輪機設(shè)計發(fā)展的趨勢。

3 航空發(fā)動機選材及防腐分析

航空發(fā)動機大量地采用了耐腐蝕性能良好的不銹鋼、鈦合金、高溫合金等材料，具備一定的防腐蝕能力。但是由于航空發(fā)動機與艦船用航改燃氣輪機的配裝對象不同，設(shè)計理念和要求有很大差別，因而，航空發(fā)動機上仍采用了較大比例的耐蝕性較差的材料，如鎂合金、鋁合金、結(jié)構(gòu)鋼、以及具有特殊用途的鐵基高溫合金。

鎂是1種非?；顫姷慕饘?，電位比為－2.7左右，在自然狀態(tài)下能置換水中的氫，而發(fā)生腐蝕；而在海洋氣候條件下，其耐蝕性更差。即使采取涂層等防護措施，一旦涂層破損或失效，則鎂合金基體就很快被腐蝕。在美國海軍標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定海軍裝備嚴禁使用鎂合金。

結(jié)構(gòu)鋼和一些低鉻馬氏體不銹鋼由于具有較好的力學(xué)性能且成本低廉，在航空發(fā)動機上被大量采用，大多應(yīng)用在溫度較低的部位上。在海洋環(huán)境下零件會發(fā)生電化學(xué)腐蝕，抗鹽霧腐蝕性能較差。

在航空發(fā)動機的熱端部件中，如何進行GH907合金零部件和渦輪葉片的的防腐設(shè)計是重點和難點。低膨脹鐵基高溫合金GH907不含抗蝕性元素Cr，而且Al含量低，Nb含量高，決定了合金在鹽霧環(huán)境下耐腐蝕性能較差。由于GH907合金對于間隙控制作用非常重要，無法用替代材料，因而，只能采取適當(dāng)?shù)姆栏繉舆M行防護。

在海洋環(huán)境下，渦輪葉片是燃氣輪機上工作條件最苛刻的部件，為熱腐蝕最易發(fā)生的部位。航空發(fā)動機渦輪葉片用高溫合金主要有DZ40M、DZ125、DZ417G、K417G。其中DZ40M（鈷基合金）具有良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，DZ125、DZ417G、K417G合金的抗熱腐蝕性能相對較差。DZ125合金在900℃、10 h的涂鹽（25%NaCl+75%Na2SO4）試驗結(jié)果如圖1所示。從圖中可見，涂鹽僅10 h后，DZ125合金即發(fā)生嚴重腐蝕，表面堆積滿了綠色的腐蝕產(chǎn)物。

4 航改燃氣輪機的防腐蝕設(shè)計選材

通過上述分析可知，航改燃氣輪機不能完全沿用航空發(fā)動機的材料，必須針對耐腐蝕性差的材料進行新防腐蝕設(shè)計。

4.1 鋁、鎂合金零部件防腐蝕設(shè)計

鎂合金由于耐腐蝕性非常差，無法在海洋環(huán)境下應(yīng)用，故對航空發(fā)動機中附件機匣等鎂合金零部件，采用密度較接近的鋁合金代替。雖然在海洋環(huán)境下，鋁合金易發(fā)生點蝕和晶間腐蝕，但由于軸承襯套和附件機匣殼體均為靜子件，與腐蝕介質(zhì)接觸較少，采用合理的防護涂層系統(tǒng)后，耐腐蝕性能大為提高。鋁合金涂層防護系統(tǒng)見表1。這些涂層及工藝在國內(nèi)都較為成熟，并且磁漆種類也較多，可以滿足艦船用航改燃氣輪機的使用要求。

4.2 鋼鐵零部件的防腐蝕設(shè)計

奧氏體和一些高鉻馬氏體不銹鋼具有良好的抗鹽霧腐蝕能力，不需要采取防護措施即可直接用于艦船用航改燃氣輪機。出于成本和工藝等其它因素的考慮，航改燃氣輪機也需要采用一些結(jié)構(gòu)鋼和高碳低鉻的馬氏體不銹鋼及鑄鐵零件。但是。這些材料抗鹽霧腐蝕性能較差，需要根據(jù)零部件的不同使用情況選擇不同的防護措施，如流道件和接觸鹽霧較多的零部件（如進氣機匣、壓氣機機匣等）采用在600℃以下具有較好抗鹽霧腐蝕性能的WZL系列無機鹽中溫鋁涂層防護；其它零件可采用傳統(tǒng)的防護工藝，如滲碳、滲氮、鍍鎳、鈍化、涂漆等。典性的涂層防護系統(tǒng)見表2。

表1 鋁合金零、部件的涂層系統(tǒng)

表2 典型的鋼鐵零部件涂層防護系統(tǒng)

4.3 鈦合金零部件的防腐蝕設(shè)計

航改燃氣輪機風(fēng)扇和壓氣機中應(yīng)用最廣泛的材料是鈦合金。雖然鈦合金在海洋環(huán)境下工作時，材料上沉積有鹽粒，會在一定溫度范圍內(nèi)發(fā)生熱鹽應(yīng)力腐蝕，但目前應(yīng)用最多的鈦合金是α+β鈦合金，在應(yīng)力極限下使用，不會產(chǎn)生熱鹽應(yīng)力腐蝕，具有較高的抗鹽霧腐蝕能力，不需要采取防護措施。

4.4 高溫合金零部件的防腐蝕設(shè)計

航空發(fā)動機所選用的高溫合金主要有優(yōu)質(zhì)GH2132、GH4169、GH600、GH141、GH159、GH605、K188、K605、GH188、MGH754、GH907等，除GH907合金外均為含鉻量較高的鎳基、鈷基或鐵基高溫合金，具有較高的抗腐蝕性能，因此這些高溫合金零件不需采取其它防護措施。

壓氣機后機匣、高壓渦輪機匣等一些間隙控制的靜子件常選用GH907合金。該材料為650℃以下使用的Ni-Co-Fe基低膨脹高溫合金，而且Al含量低，Nb含量高，在鹽霧環(huán)境下抗腐蝕性能非常差。GH907合金48 h鹽霧試驗照片如圖2所示。從圖中可知，GH907合金零部件的防腐涂層設(shè)計非常重要，是高溫合金防護的重點和難點。

根據(jù)零件的具體結(jié)構(gòu)和使用條件，分別選用了TW-7水基耐高溫涂料、SKNC-65納米自修復(fù)涂層、磷酸鹽系耐高溫腐蝕涂料、鍍Cr+GT500A有機復(fù)合涂層，并通過試驗對涂層進行了評估，試驗結(jié)果（見表3）表明，4種涂層均可以滿足艦船用燃氣輪機的防腐要求。

4.5 渦輪葉片的防腐蝕設(shè)計

綜上所述，航空發(fā)動機渦輪葉片材料DZ125、DZ417G、K417G等合金，達不到航改燃氣輪機的防腐蝕性能要求。因此，航改燃氣輪機采用DSM11新型抗腐蝕合金和DZ38G、K438高鉻鎳基抗熱腐蝕高溫合金作為葉片材料；同時，施加適當(dāng)防護涂層，進一步增加其耐腐蝕性能。

目前，適用于渦輪葉片的防護涂層主要有2種：1種是沉積合金涂層，即所謂的靈敏涂層（Smart Coatings），是MCrAlY基的多元復(fù)合結(jié)構(gòu)，涂層內(nèi)部富Cr，表層富Al，在高溫下可形成穩(wěn)定的Al2O3保護膜，起到抗高溫氧化作用，在較低溫度(700～900℃)下可形成更強的抗熱腐蝕Cr2O3保護膜，達到抗熱腐蝕的目的；另1種是沉積陶瓷涂層，典型是熱障涂層TBC，是由抗氧化腐蝕的金屬粘結(jié)底涂層和隔熱的陶瓷表面涂層構(gòu)成的復(fù)合功能涂層。熱障涂層作為阻隔高溫燃氣和腐蝕介質(zhì)直接作用的物理屏障，不僅有效地降低了基體合金的實際工作溫度，而且可以抑制腐蝕介質(zhì)（熔鹽）發(fā)生界面電化學(xué)和化學(xué)反應(yīng)，比合金涂層具有更強的抗腐蝕能力。即使在使用過程中表面陶瓷層開裂或剝落，其下面的MCrAlY金屬底涂層仍然可以繼續(xù)提供抗氧化/腐蝕防護，使結(jié)構(gòu)材料受到雙重防護。

渦輪葉片的詳細防腐設(shè)計方案如下。

（1）燃氣發(fā)生器渦輪導(dǎo)向葉片多為空心葉片，沿用航空發(fā)動機材料DZ40M合金，內(nèi)腔滲AlTi等鋁化物滲層，外型面采用MCrAlY底層加ZrO2熱障涂層，既起到隔熱作用，又增強耐腐蝕性；

（2）燃氣發(fā)生器渦輪工作葉片采用DSM11新型抗腐蝕合金，是耐熱腐蝕性能優(yōu)良的定向凝固鎳基鑄造高溫合金。外型面噴涂NiCoCrAlYSi抗腐蝕防護涂層，內(nèi)腔滲CoAl等鋁化物進行防護；

（3）航改燃氣輪機低壓渦輪葉片可采用DZ38G合金，是國內(nèi)較成熟的合金，且耐腐蝕性在國外航改燃氣輪機得到驗證，同時噴涂NiCoCrAlYSi抗腐蝕防護涂層可進一步增強抗腐蝕能力；

（4）K438合金也是國內(nèi)成熟且在國外航改燃氣輪機大量應(yīng)用的耐腐蝕合金，多用于制造動力渦輪導(dǎo)向葉片，應(yīng)用于艦船用航改燃氣輪機上，可采取滲CoAl等鋁化物滲層進行防護。

表3 GH907合金涂層試驗評估結(jié)果

5 結(jié)束語

由于航空發(fā)動機選材達不到海洋工作環(huán)境下的防腐要求，艦船航改燃氣輪機不能沿用航空發(fā)動機的選材體系。

本文介紹的航改燃氣輪機防腐選材體系選材合理、依據(jù)充分、技術(shù)成熟，可以滿足航改燃氣輪機在海洋環(huán)境下使用的要求。

[1] 趙德孜.航機船用改裝中的防腐及選材[C].航改燃氣輪機文集,2002.

[2] 李金桂.腐蝕控制設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.