燃气轮机透平叶片高温合金涂层服役温度的预测方法技术

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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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MCrAH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MCrAH (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(TG0)，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。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种，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，本专利技术的技术方案如下；—种，其特征在于该方法包括以下步骤I)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)通过寿命预测公式权利要求1.一种，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服役后涂层内部扩散层组织尺寸L ； 2)通过寿命预测公式2.如权利要求I所述ー种，其特征在于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，涂层内部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。3.如权利要求I所述ー种，其特征在于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。4.如权利要求I所述ー种，其特征在于所述的高温合金涂层为MCrAlY涂层、MCrAlY+渗铝层或MCrAlY+TBC层。全文摘要，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
本专利技术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。文档编号G01N25/20GK102788811SQ20121018590公开日2012年11月21日 申请日期2012年6月6日 优先权日2012年6月6日专利技术者段方苗 申请人:北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术有限公司, 清华大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
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服役后涂层内部扩散层组织尺寸L；2）通过寿命预测公式计算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；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以T0作为高温合金涂层服役温度。dest_path_FDA00002120226100011.jpg...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：段方苗，
申请(专利权)人：北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术有限公司，清华大学，
类型：发明
国别省市：