航改燃氣輪機在海洋環境下的防腐設計

1航改發電機是一種最具潛力的航改燃氣輪機船上的發動機主要由航空發動機生產。因此，該技術充分利用了航空燃料的高質量技術，具有良好的繼承性。我們必須借鑒國內航空航天氣息的研究成果，開展一系列開發，大大縮短船用氣的開發周期，降低開發成本。此外,航改燃氣輪機還具有功率大、尺寸小、質量輕、污染小、機動性強、采用箱裝體結構可快速更換等優點。因此,航改燃氣輪機已成為艦船的主要動力裝置。由于航空發動機工作條件已相當苛刻,尤其是熱端部件的使用狀態已接近材料的極限,而航改燃氣輪機又處在鹽霧濃度很高的海洋工作環境,且壽命周期比航空發動機的更長,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鍵因素。建立合理有效的防護體系,是航改燃氣輪機海洋環境適應化改裝的有力手段和有效保障。本文從選材和涂層系統2個層面介紹了腐蝕防護設計。2航改燃氣輪機零件的腐蝕和抗腐蝕作用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:低溫熱腐蝕和高溫熱腐蝕。低溫熱腐蝕主要是由鹽分引起的電化學腐蝕,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性質的不均勻性,這層潮濕薄膜就起著電解質作用而產生電化學腐蝕,即濕熱腐蝕。高溫熱腐蝕也稱為硫蝕。航改燃氣輪機由于在海洋環境中工作,其燃油中含有硫雜質,在燃燒時生成SO2、SO3氣體,與來自海洋空氣的NaCl反應生成硫酸鈉,即由于硫酸鈉的熔點較低(約885℃),當它與其它鹽類或金屬氧化物反應或混合時,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,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生很大的生長應力而破壞氧化膜,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境下的防護是1個系統工程,合理的選材和完備的涂層系統是其中最關鍵的2個環節。合理的選材是整個防護體系的第1個環節。基體材料尤其是相關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,一旦涂層出現問題,就會出現腐蝕而且發展得非常快,直接影響航改燃氣輪機的壽命和可靠性。完備的涂層系統是航改燃氣輪機防護體系的第2個環節。國外航改燃氣輪機除設計方面選用一些抗腐蝕性較好的新材料外,在涂層系統設計上,依據不同的使用環境選擇不同的涂層,效果顯著。電鍍層應用很少,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、耐發動機介質等綜合性能。因此,涂層系統被廣泛應用于發動機和燃氣輪機的葉片、隔圈等部位的防護上,這是現代航空發動機和燃氣輪機設計發展的趨勢。3海洋氣候條件航空發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。但是由于航空發動機與艦船用航改燃氣輪機的配裝對象不同,設計理念和要求有很大差別,因而,航空發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、結構鋼、以及具有特殊用途的鐵基高溫合金。鎂是1種非常活潑的金屬,電位比為-2.7左右,在自然狀態下能置換水中的氫,而發生腐蝕;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。在美國海軍標準中明確規定海軍裝備嚴禁使用鎂合金。結構鋼和一些低鉻馬氏體不銹鋼由于具有較好的力學性能且成本低廉,在航空發動機上被大量采用,大多應用在溫度較低的部位上。在海洋環境下零件會發生電化學腐蝕,抗鹽霧腐蝕性能較差。在航空發動機的熱端部件中,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,只能采取適當的防腐涂層進行防護。在海洋環境下,渦輪葉片是燃氣輪機上工作條件最苛刻的部件,為熱腐蝕最易發生的部位。航空發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℃、10h的涂鹽(25%NaCl+75%Na2SO4)試驗結果如圖1所示。從圖中可見,涂鹽僅10h后,DZ125合金即發生嚴重腐蝕,表面堆積滿了綠色的腐蝕產物。4航改汽油的腐蝕設計通過上述分析可知,航改燃氣輪機不能完全沿用航空發動機的材料,必須針對耐腐蝕性差的材料進行新防腐蝕設計。4.1鋁合金涂層防護系統鎂合金由于耐腐蝕性非常差,無法在海洋環境下應用,故對航空發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。雖然在海洋環境下,鋁合金易發生點蝕和晶間腐蝕,但由于軸承襯套和附件機匣殼體均為靜子件,與腐蝕介質接觸較少,采用合理的防護涂層系統后,耐腐蝕性能大為提高。鋁合金涂層防護系統見表1。這些涂層及工藝在國內都較為成熟,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航改發電機抗鹽霧性能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構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見表2。4.3鈦合金抗鹽霧性能航改燃氣輪機風扇和壓氣機中應用最廣泛的材料是鈦合金。雖然鈦合金在海洋環境下工作時,材料上沉積有鹽粒,會在一定溫度范圍內發生熱鹽應力腐蝕,但目前應用最多的鈦合金是α+β鈦合金,在應力極限下使用,不會產生熱鹽應力腐蝕,具有較高的抗鹽霧腐蝕能力,不需要采取防護措施。4.4gh297高溫合金抗腐蝕性能好,鹽霧性能差航空發動機所選用的高溫合金主要有優質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,在鹽霧環境下抗腐蝕性能非常差。GH907合金48h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計非常重要,是高溫合金防護的重點和難點。根據零件的具體結構和使用條件,分別選用了TW-7水基耐高溫涂料、SKNC-65納米自修復涂層、磷酸鹽系耐高溫腐蝕涂料、鍍Cr+GT500A有機復合涂層,并通過試驗對涂層進行了評估,試驗結果(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渦輪葉片的其它結構涂層綜上所述,航空發動機渦輪葉片材料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(SmartCoatings),是MCrAlY基的多元復合結構,涂層內部富Cr,表層富Al,在高溫下可形成穩定的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底涂層和隔熱的陶瓷表面涂層構成的復合功能涂層。熱障涂層作為阻隔高溫燃氣和腐蝕介質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(熔鹽)發生界面電化學和化學反應,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提供抗氧化/腐蝕防護,使結構材料受到雙重防護。渦輪葉片的詳細防腐設計方案如下。(1)燃氣發生器渦輪導向葉片多為空心葉片,沿用航空發動機材料DZ40M合金,內腔滲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