重型燃气轮机高温部件热障涂层局部剥落损伤程度判定准则

1重型燃气轮机高温部件热障涂层局部剥落损伤程度判定准则本文件规定了重型燃气轮机高温部件热障涂层局部剥落损伤程度判定准则的要求，描述了对应的证实方法，给出了不同燃气温度下，热障涂层系统安全服役的临界剥落面积随涂层厚度变化规律的预测方法，以及高温部件(以MarM247基材+热障涂层(TBCs)为例)在高温环境下(以1720K为例)安全服役的临界剥落面积的判定方法。本文件适用于包括燃气轮机涡轮燃烧室、燃烧器过渡段、涡轮导向叶片和动叶片等高温下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注明日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注明日期的括所有的修改单)适用于本文件。GB/T42261-2022《金属及其他无机覆盖层温度梯度下热障涂层热循环试验方法》GB/T42259-2022《金属及其他无机覆盖层热障涂层耐热循环与热冲击性能测试方法》高温燃气是指进入燃气轮机的燃气温度，通常可达到1000摄氏度以上。利用高温燃气可热障涂层系统应用在重型燃气轮机高温部件表面、为高温部件提供热防护，具有优异的材料通常为氧化钇部分稳定氧化锆，粘结层材料通常为MCrAlY。在高温燃气环境下，热障涂层的失效过程多为陶瓷层的剥落，脱落2对于重型燃气轮机高温部件安全服役温度：针对高温合金基材，其安全服役温度为保证其设计寿命内安全服役服役的推荐最高温度(如MarM247建议<1173K),针对热障涂层涂层建议<1323K),针对热障涂层8YSZ陶瓷层，其安全服役为其长期稳定服役无相变温度(如采用大气等离子(APS)喷涂8YSZ涂层建议<1473K)。役温度时对应的最小陶瓷层剥落直径为d1,热障涂层粘结层的最高服役温度超过安全服役温度时对应的最小陶瓷层剥落直径为d2,热障涂层陶瓷层的的最高服役温度超过安全服役温度时对应的最小陶瓷层剥落直径为d3。高温部件临界剥落直径Dc取d1、d2、d3的最小t:表示剥落区深度这里也表示TC的厚度。3重型燃气轮机作为重要的发电和动力装备，广泛应用于清洁能源、电力调峰、船舰动力等领域，具有极高的战略地位。为了开发更高效率的重型燃气轮机，需要不断提高燃烧器及透平进口温度，由此将导致燃机高温部件在远超金属允许温度的环境中运行，严重影响高温部件的使用寿命。为了保障高温部件安全稳定服役，延长重型燃气轮机的生命周期，需要在然而，热障涂层隔热陶瓷层在高温、燃气腐蚀、交变应力等耦合恶劣环境下工作时，不可避免地会产生不同程度的局部剥落，会降低热障涂层的热防护性能。因此，热障涂层的结构完整性评价被认为是燃机高温部件热寿命管理的重要一环。研究者们认为，存在一个临界局部剥落尺寸值：当剥落区域小于此值时，热障涂层损伤程度较小，仍然能够为高温部件提导致高温部件超温、烧损失效。目前，工程界从经验出发定义了若干种涂层局部剥落的临界面积占比，比如5%、12%、20%等，但由于缺少理论和模拟支撑，这些临界剥落尺寸尚未得到综上所述，现有的局部剥落损伤程度的判断方法存在评估方式简单、缺乏理论支撑和模拟分析等缺点，因此，亟须建立起一种热障涂层局部剥落后的损伤程度的判断规范，及时对受损后热障涂层的性能进行有效评估，从而为热障涂层及高针对现在燃机高温部件用热障涂层局部剥落损伤程度的无评判准则问题，基于热流固耦合换热模型，获得了热障涂层在不同局部剥落宽度条件下各层的服役状态，并开展燃气热冲击环境下热障涂层关键位置的温度测量，验证有限元计算结果；在此基础上，以温度场的变化为基准，建立相应的评价方法与标准，对热障涂层的损伤程度进行判断，可有效提升热障5.1热障涂层系统安全服役的临界剥落直径为例，背冷环境温度T=300K,热交换系数为he=6804陶瓷层厚度t分别为0.2mm,0.3mm,0.4mm,0.5mm,0.6mm5.1.3高温部件安全服役的热障涂层临界高温合金基材、陶瓷层、粘结层的最高服役温度的判断方法见附录B。5.1.3.1陶瓷层厚度为0.2mm为保证陶瓷层服役温度低于安全服役温度，其临界剥落面积为直径d3为12.5mm,保证高温合金基材服役温度低于安全服役温度，其临界剥落直径d1件基材及热障涂层系统在其在陶瓷层厚度为0.2mm时，高温部件陶瓷层界剥落直径Dc5.1.3.2陶瓷层厚度为0.3mm为保证陶瓷层服役温度低于安全服役温度，其陶瓷mm,热障涂层粘结层服役温度始终低于其安全服役温度，其临界剥落直径d2视为无穷大，为保证高温合金基材服役温度低于安全服役温度，其临界剥落直径d1为3.7mm。直径Dc为3.7mm。5.1.3.3陶瓷层厚度为0.4mm为保证陶瓷层服役温度低于安全服役温度，其陶瓷层临界剥落面积为直径d3为8.5mm,热障涂层粘结层服役温度始终低于其安全服役温度，其临界剥落直径d2视为无穷大，为保证高温合金基材服役温度低于安全服役温度，其临界剥落直径d1为7.5mm。直径Dc为7.5mm为保证陶瓷层服役温度低于安全服役温度，其陶瓷层临界剥落面积为直径d3为7.5mm,热障涂层粘结层服役温度始终低于其安全服役温度，其临界剥落直径d2视为无穷大，为保证高温合金基材服役温度低于安全服役温度，其临界剥落直径d1为9.8mm。直径Dc为7.5mm5.1.3.5陶瓷层厚度为0.6mm为保证陶瓷层服役温度低于安全服役温度，其陶瓷层临界剥落面积为直径d3为6.5mm,热障涂层粘结层服役温度始终低于其安全服役温度，其临界剥落直径d2视为无穷大，为保证高温合金基材服役温度低于安全服役温度，其临界剥落直径d1为13.5mm。5直径Dc为6.5mm包含局部剥落直径分别为0mm,1mm,3mm与5mm的试样。将这些热障涂层按照附录A要求进行实验，测量陶瓷层最高温度随陶瓷层厚度和剥落直径的变化规律，并与附录BDiametcrofSpallationarca/mmDiameierofSpallationarcamm在高温部件修护检查时，如陶瓷层涂层局部剥落直径超6.2范围描述了对应的证实方法，给出了不同燃气温度下，热障涂层系统安全服役的临界剥落面积随涂层厚度变化规律的预测方法，以及高温部件(以MarM247为例)在高温环境下(以1720K为例)安全服役的临界剥落面积的判定方法。6测试仪器为燃气热冲击实验台，环境温度为25℃。燃气热冲击实验台使用天然气和氧气混合燃烧产生的火焰加热试样。试样背部为压缩空气冷却，为试样提供接近于真实用一个完整状态的热障涂层试样标定燃气热冲击实验台参数，使得陶瓷层表面温度在标定好的燃气热冲击实验台参数下，对试样开展燃气热冲击实验降温五分钟。同时，用红外测温仪记录热障涂层表面的最高温度(剥落区域的边缘位置)变化曲线，试验基材温度采用预埋热电偶记录其最高温度变化曲线。温度变化曲线稳定7(规范性)一、数值研究局部剥落对各层温度的影响利用CATIA软件建立典型热部件的三维结构模型，其中，典型热部件的三维近的传热和粘性流动。网格的拉伸比在0.5~3之间，能够保证良好的计生成了大约240,000个高质量网格。此外，还进行了网格的独立性的细化，结果在温度场中的误差小于1%,达到了足够的精度。耦合换热计算涉及到多个场(温度场、流场等)之间的相互作用，其耦合作用通过界面关键8