燒嘴端面熱障涂層應(yīng)用特性分析*

張鎵鑠，曾磊赟，匡建平，薛志村，夏支文，唐昭帆

(1 寧夏神耀科技有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750200；2 中國(guó)船舶集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108)

煤氣化燒嘴是實(shí)現(xiàn)煤氣化爐長(zhǎng)周期高效穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，煤氣化燒嘴燒損將導(dǎo)致氣化爐停車，影響整個(gè)煤氣化系統(tǒng)的運(yùn)行效率。由于氣化爐內(nèi)高溫、高壓，以及燒嘴材料、裝配精度、加工精度等原因，氣化爐燒損問題主要集中于燒嘴頭部端面位置[1-2]。為了延長(zhǎng)燒嘴頭部使用壽命，除了提高燒嘴端面材料耐溫耐腐蝕強(qiáng)度外，需最大程度降低端面向火側(cè)的金屬溫度才能有效保護(hù)其不被燒損。熱障涂層由絕熱陶瓷層和基體合金組成，具有低熱導(dǎo)率和高反射率的優(yōu)點(diǎn)[3]，是解決燒嘴燒損問題的主要方案之一。

熱障涂層技術(shù)源于航空航天領(lǐng)域。為了將發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比提高至15～20，必須提高燃燒室的出口溫度至1800～2100 ℃，這樣的高溫高壓環(huán)境大大超過了最先進(jìn)的定向凝固單晶高溫合金材料的極限使用溫度(≤1150 ℃)，必須采用先進(jìn)的葉片冷卻氣膜技術(shù)和熱障涂層技術(shù)[4]。一般地，熱障涂層系統(tǒng)[5]包括三層：(1)MCrAlY粘結(jié)層(M：Co、Ni或Co/Ni)，在合金基底與陶瓷隔熱層之間形成過渡和形成氧化防護(hù)層，這是熱障涂層抗高溫腐蝕氧化的關(guān)鍵層?？捎么髿獾入x子噴涂(Air Plasma Spraying，APS)、低壓等離子噴涂(Low Pressure Plasma Spraying，LPPS)、真空等離子噴涂(Vacuum Plasma Spraying，VPS)或者超音速氧燃料(High Velocity Oxygen Fuel，HVOF)等熱噴涂技術(shù)或者電子束物理氣相沉積(Electron Beam-Physical Vapor Deposition，EB-PVD)技術(shù)制備；(2)高溫氧化過程中，由元素?cái)U(kuò)散氧化形成的熱生長(zhǎng)氧化物層(Thermally Grown Oxide，TGO)；(3)等離子噴涂(Plasma Spraying，PS)或B-PVD制備的陶瓷隔熱層。熱障涂層技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了高溫合金抗高溫氧化腐蝕性能的不足，解決了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫力學(xué)性能與耐腐蝕性之間的矛盾，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。

熱障涂層技術(shù)在拓展應(yīng)用領(lǐng)域的過程中，顯著的技術(shù)問題便是涂層失效問題。普遍認(rèn)同的熱障涂層失效機(jī)理[6-7]主要有兩種：①由熱應(yīng)力失配引起的失效；②由界面處缺陷和熱生長(zhǎng)氧化層(TGO)生長(zhǎng)造成的失效。不論其主要失效機(jī)理原因，熱障涂層失效的宏觀表現(xiàn)主要為陶瓷涂層與粘結(jié)層、基體材料與粘結(jié)層之間形成的裂紋以及裂紋的拓展，甚至導(dǎo)致涂層脫落[8]。氣化爐內(nèi)[9]雖然是還原性氣氛，但燒嘴將噴射氧氣，燒嘴附近存在高氧濃度區(qū)域，可能造成熱障涂層的熱生長(zhǎng)氧化層(TGO)生長(zhǎng)擴(kuò)散導(dǎo)致失效。因此，燒嘴端面的應(yīng)用環(huán)境對(duì)熱障涂層性能提出了更高的要求。為了實(shí)現(xiàn)熱障涂層在氣化爐燒嘴領(lǐng)域的應(yīng)用，研究熱障涂層的失效機(jī)理，延長(zhǎng)熱障涂層的使用壽命勢(shì)在必行。

本文將熱障涂層技術(shù)與燒嘴技術(shù)相結(jié)合，開展模擬研究對(duì)比增加熱障涂層前后燒嘴端面金屬材料的溫度分布，開展熱震性實(shí)驗(yàn)測(cè)試不同涂層材料以及不同噴涂工藝熱障涂層的熱震性，致力于實(shí)現(xiàn)熱障涂層技術(shù)在氣化爐燒嘴領(lǐng)域的應(yīng)用，解決燒嘴端面燒損問題。

1 燒嘴端面熱障涂層隔熱性能模擬分析

1.1 燒嘴端面模型

圖1是一種煤氣化爐示意圖以及燒嘴工作狀態(tài)示意圖。氣化爐形式以及燒嘴形式多樣，圖1僅作為示意，表征燒嘴端面的運(yùn)行環(huán)境。燒嘴端面內(nèi)側(cè)具備冷卻水通道，外側(cè)則是氣化爐爐膛。如圖1所示，燒嘴端面處于高溫高壓環(huán)境，其壓力通常高于4 MPa，環(huán)境平均溫度高于1200 ℃，燒嘴附近溫度更高，火焰溫度超過2000 ℃。因此，燒嘴端面存在較高燒損風(fēng)險(xiǎn)。此外，氣化爐內(nèi)還有多種組分以及大量固體顆粒，也將導(dǎo)致端面侵蝕和磨損。多種因素作用下，燒嘴運(yùn)行一段時(shí)間后，端面通常將出現(xiàn)裂紋，從而導(dǎo)致冷卻水泄漏，最終導(dǎo)致氣化爐停車。

圖1 煤氣化爐及燒嘴工作狀態(tài)示意圖

由于燒嘴端面基本呈圓周分布，且各向輻射以及換熱均勻，可將燒嘴端面模型簡(jiǎn)化為如圖2所示的二維結(jié)構(gòu)。其中最外側(cè)薄層代表噴涂在燒嘴端面的熱障涂層，厚度為0.35 mm；與熱障涂層相連區(qū)域則是燒嘴端面的金屬材料；冷卻水主要流通區(qū)域大致如圖所示，采用沿圓周內(nèi)進(jìn)外出的方式，為簡(jiǎn)化模型將設(shè)置固定對(duì)流換熱系數(shù)表征冷卻作用；燒嘴的粉煤和氧氣通道由于與本次模擬無關(guān)，未在模型圖中進(jìn)行詳細(xì)表述。如表1和表2所示，分別是材料的物性參數(shù)以及數(shù)值仿真的邊界條件。由于模擬研究主要探究熱障涂層對(duì)于溫度分布的影響，因此邊界條件設(shè)置簡(jiǎn)化為固定參數(shù)。模擬中將改變氣化爐側(cè)的煙氣溫度，探究不同環(huán)境輻射溫度條件下，熱障涂層對(duì)于降低金屬材料溫度的作用。

圖2 熱障涂層隔熱效果計(jì)算模型

表1 熱障涂層及燒嘴端面物性參數(shù)

表2 邊界條件

1.2 燒嘴端面溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分析

如圖3所示為有熱障涂層和無熱障涂層的燒嘴端面溫度分布圖。模擬結(jié)果顯示，在倒角位置的最高溫度從620 K下降至338 K，下降幅度達(dá)45%?？梢?，熱障涂層對(duì)于降低燒嘴端面金屬材料溫度具有顯著效果。分析其原因可得，熱障涂層導(dǎo)熱系數(shù)小，熱阻R與導(dǎo)熱系數(shù)呈反比，在導(dǎo)熱面積相同的條件下，熱障涂層的熱阻遠(yuǎn)大于燒嘴端面材料的熱阻。而對(duì)于相連物體，總溫差不變的情況下，熱阻越大的物體，其兩端的溫度差則越大。

圖3 1873 K下燒嘴端面溫度分布

圖4所示是在不同爐膛輻射溫度影響下端面平均壁溫變化曲線。對(duì)比圖中曲線可得，當(dāng)環(huán)境溫度逐漸升高，兩種模型模擬得到的平均壁溫，雖然呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，但無隔熱層的端面平均壁溫升高速率更大?？梢?，隔熱層對(duì)于保護(hù)燒嘴端面具有顯著效果，且環(huán)境溫度越高，其保護(hù)作用越顯著。

圖4 燒嘴端面平均壁溫變化曲線

2 熱障涂層抗熱震實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方案

抗熱震性能主要有空氣急冷法和水急冷法兩種測(cè)試方法，本文采用水急冷法進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谔骄坎煌嚇娱_始出現(xiàn)裂紋以及發(fā)生剝落現(xiàn)象時(shí)的實(shí)驗(yàn)次數(shù)以及試驗(yàn)溫度，從而判斷不同涂層材料以及噴涂工藝對(duì)熱障涂層性能的影響。

熱震實(shí)驗(yàn)將材料及制備工藝不同的四塊熱障涂層試板依次置于八個(gè)溫度條件(如表3所示)下進(jìn)行加熱，在實(shí)驗(yàn)溫度下恒溫一段時(shí)間后進(jìn)行激冷實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度激冷次數(shù)為5次，當(dāng)熱障涂層脫落率超30%，該試板試驗(yàn)終止。

表3 抗熱震實(shí)驗(yàn)涂層及溫度參數(shù)

熱震實(shí)驗(yàn)具體流程如圖5所示，實(shí)驗(yàn)步驟如下：① 將制備好涂層的試板整體放入馬弗爐內(nèi)加熱至指定溫度(500 ℃，600 ℃，700 ℃，800 ℃，900 ℃，1000 ℃，1100 ℃，1200 ℃)，加熱速率為50 ℃/min；②到達(dá)指定溫度后，停留1 h；③將試板立即取出置于25 ℃的水中激冷；④觀察試板熱障涂層是否發(fā)生裂紋或剝落，進(jìn)行圖像記錄并記錄質(zhì)量變化；⑤每個(gè)溫度點(diǎn)激冷5次后進(jìn)行下一個(gè)階段溫度測(cè)試；⑥當(dāng)剝落面積超過涂層總面積的30%時(shí)，可停止該試樣的實(shí)驗(yàn)，用攝像機(jī)記錄各個(gè)樣件的涂層狀態(tài)，并記錄質(zhì)量變化。

圖5 熱震實(shí)驗(yàn)流程圖

熱震實(shí)驗(yàn)所采用的四種不同涂層材料試板及其詳細(xì)特征如表4所示。涂層材料主要有釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)和鈰酸鑭(La2Ce2O7，LCO)。由于熱障涂層材料噴涂后有微小空隙，致密性不足，采用YSZ材料的試板通過封閉氣孔的工藝過程進(jìn)行處理，并對(duì)有無封孔工藝的試板進(jìn)行對(duì)比；采用LCO材料的熱障涂層均采用封孔工藝，其中一塊試板增加一層氧化鋁涂層。

表4 試板特性

2.2 熱障涂層熱震性能分析

抗熱震性，也稱熱穩(wěn)定性，熱震穩(wěn)定性，抗熱沖擊性，抗溫度急變性，耐急冷急熱性等，指材料在承受急劇溫度變化時(shí)，評(píng)價(jià)其抗破損能力的重要指標(biāo)。熱震實(shí)驗(yàn)是評(píng)價(jià)試樣經(jīng)受1次或多次溫度急劇變化的損傷程度，是檢驗(yàn)金屬表面涂層和金屬基材結(jié)合能力以及涂層本身抗熱震性能的標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)手段之一。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法有直形磚水淬冷法和長(zhǎng)條式樣實(shí)驗(yàn)法。

2.2.1 YSZ涂層

圖6為表面具備氧化鋯涂層的試板再不同溫度條件下進(jìn)行熱震實(shí)驗(yàn)后的一系列圖像，圖像中清晰展示了實(shí)驗(yàn)過程中，隨實(shí)驗(yàn)溫度的提高，試板正面及側(cè)面的變化趨勢(shì)。圖中所示的Ta-b表示在溫度為a ℃條件下第b次激冷后的正面及側(cè)面圖像。分析實(shí)驗(yàn)圖像可見，當(dāng)恒溫溫度小于1000 ℃時(shí)，激冷后1號(hào)試板表面未出現(xiàn)明顯變化。1號(hào)涂層在實(shí)驗(yàn)溫度為1100 ℃時(shí)的第2次激冷過程中首次出現(xiàn)涂層脫落現(xiàn)象，從此時(shí)側(cè)面圖發(fā)現(xiàn)，雖然小區(qū)域出現(xiàn)脫落，但其他區(qū)域未出現(xiàn)明顯變化。1100 ℃時(shí)的第3次激冷過程中1號(hào)涂層再次出現(xiàn)小部分脫落，而其他部分未出現(xiàn)明顯變化。1100 ℃時(shí)的第4次激冷過程中1號(hào)涂層大幅度脫落，且大部分區(qū)域出現(xiàn)粘合不牢固或鼓起現(xiàn)象。1100 ℃時(shí)的第5次激冷過程中1號(hào)涂層脫落面積超過30%。從一系列側(cè)面圖像中則發(fā)現(xiàn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度超過900 ℃后，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，1號(hào)試板逐漸發(fā)生彎曲，并隨實(shí)驗(yàn)溫度升高，彎曲程度更加顯著。

圖6 YSZ涂層試板熱震實(shí)驗(yàn)圖像

2.2.2 采用封孔工藝的YSZ涂層

圖7為采用封孔工藝的YSZ涂層的實(shí)驗(yàn)圖像。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與1號(hào)試板相似，2號(hào)試板在實(shí)驗(yàn)溫度小于1100 ℃的激冷過程中均未出現(xiàn)顯著變化。而當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度提高至1200 ℃時(shí)，2號(hào)試板的涂層在第1次激冷實(shí)驗(yàn)中便出現(xiàn)了大幅度的脫離，雖然圖像中涂層未出現(xiàn)脫落，但其原因在于涂層的大塊區(qū)域整體脫離造成脫落部分仍與未脫落部分粘合，使脫落部位未完全掉落。從側(cè)面即可看出一半以上區(qū)域的涂層已不再粘附與金屬之上。2號(hào)試板同樣也出現(xiàn)了試板隨實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)彎曲的現(xiàn)象，且彎曲趨勢(shì)與1號(hào)試板相同。對(duì)比1號(hào)和2號(hào)試板可得，封孔工藝對(duì)于提高熱障涂層熱震性效果不顯著。

圖7 采用封孔工藝的YSZ涂層試板熱震實(shí)驗(yàn)圖像

2.2.3 采用封孔工藝的LCO涂層

圖8為采用封孔工藝的LCO涂層試板的實(shí)驗(yàn)圖像，相比于前兩張涂層方案，3號(hào)熱障涂層展示了優(yōu)異的抗熱震性能。經(jīng)過一系列的熱震實(shí)驗(yàn)后，3號(hào)涂層未出現(xiàn)明顯脫落現(xiàn)象，僅在涂層表面出現(xiàn)微量細(xì)紋。此外，材料的顏色和質(zhì)地出現(xiàn)些許改變。由側(cè)面圖像發(fā)現(xiàn)，LCO涂層試板存在變形行為。

圖8 采用封孔工藝的LCO涂層試板熱震實(shí)驗(yàn)圖像

將圖8中方框內(nèi)區(qū)域進(jìn)行放大對(duì)比，如圖9所示。隨著實(shí)驗(yàn)溫度提高，涂層顏色逐漸加深，涂層表面細(xì)紋在實(shí)驗(yàn)溫度為1000 ℃時(shí)開始出現(xiàn)，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行細(xì)紋增多，紋路加深?？梢?，LCO材料相比YSZ材料具有更好的熱震性。

圖9 采用封孔工藝的LCO涂層試板熱震實(shí)驗(yàn)局部放大圖像

2.2.4 LCO與Al2O3雙層涂層

圖10所示為L(zhǎng)CO與Al2O3雙層涂層試板，即在LCO之上增加一層Al2O3涂層，以便強(qiáng)化其抗熱性能。然而結(jié)果顯示，Al2O3涂層在實(shí)驗(yàn)溫度為900 ℃時(shí)的第4次實(shí)驗(yàn)便開始脫落，最終在1000 ℃時(shí)的第2次實(shí)驗(yàn)脫落區(qū)域超過30%?？梢夾l2O3涂層的增加未起到明顯作用。

圖10 LCO與Al2O3雙層涂層試板熱震實(shí)驗(yàn)圖像

2.2.5 試板質(zhì)量隨實(shí)驗(yàn)變化

圖11為各試板質(zhì)量隨實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行的變化曲線。當(dāng)恒溫溫度較低時(shí)，試板經(jīng)過激冷后質(zhì)量無顯著變化。當(dāng)恒溫溫度提高后，1號(hào)和4號(hào)試板經(jīng)過激冷出現(xiàn)涂層脫落時(shí)試板也出現(xiàn)相應(yīng)的質(zhì)量損失。2號(hào)試板僅在最后一次實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)大幅度涂層脫落現(xiàn)象，但大部分未完全脫離試板，因此質(zhì)量未出現(xiàn)明顯變化。3號(hào)試板在恒溫溫度為1200 ℃時(shí)，經(jīng)過5次激冷后仍未出現(xiàn)涂層脫落現(xiàn)象，但3號(hào)試板在恒溫溫度為1200 ℃的實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了質(zhì)量損失，但損失比例較小，且未觀察到明顯脫離現(xiàn)象，其原因在于涂層雖然未出現(xiàn)脫落，但涂層表面仍然有少量物質(zhì)受溫度急劇變化影響使其出現(xiàn)小部分損失。此外不排除金屬層出現(xiàn)質(zhì)量損失引起試板質(zhì)量變化的可能性。

圖11 各試板質(zhì)量隨實(shí)驗(yàn)過程變化曲線

3 結(jié) 論

為提高氣化爐燒嘴端面使用壽命，采用在燒嘴端面增加熱障涂層的方式，改善燒嘴端面整體溫度分布情況，降低燒嘴端面金屬材料溫度，從而在燒嘴端面形成保護(hù)層，延長(zhǎng)其使用壽命。本文開展了熱障涂層對(duì)燒嘴端面溫度場(chǎng)分布影響的模擬研究，并開展了不同材料及噴涂工藝的熱障涂層抗熱震實(shí)驗(yàn)研究。主要結(jié)論如下：

(1)熱障涂層能夠顯著降低燒嘴端面金屬問題，且環(huán)境輻射溫度越高，其降低幅度越大，環(huán)境輻射溫度為1873 K的條件下，燒嘴端面增加熱障涂層后可使溫度降低45%；

(2)采用封孔工藝的LCO材料熱障涂層抗熱震性能最佳；

(3)LCO涂層外部再增加一層Al2O3涂層未見顯著強(qiáng)化效果。