高性能热保护| PCI杂志 - 2022年世界杯分组表

镍铝扩散涂层有助于燃气轮机部件承受极高的温度。然而，诸如弹坑、滴漏、凹陷、光斑和泥裂缝等缺陷会影响性能，并导致在精加工过程中出现大量废品率。遵循涂层供应商推荐的表面准备、应用和扩散程序可以消除涂层缺陷，确保高质量的组件。

用于航空航天和发电应用的燃气轮机不断被推到运行的极限。通常，这些限制受到组件材料的限制。例如，发动机后部的燃烧器和其他部件(叶片和叶片)在工作时经常暴露在超过1600°F(871°C)的温度下，这取决于它们在发动机中的位置、发动机类型、工作参数和其他因素。高温为涡轮提供了更高的功率和效率。具有高镍含量的不锈钢部件通常用于这些应用，因为它们在高温下具有优异的强度。但是，这些材料容易受到高温氧化和热腐蚀的侵袭。

镍铝化涂层是一种坚硬且耐腐蚀的涂层，几十年来一直用于保护在1200至1800°F(649至982°C)温度下工作的部件。填充胶结是一种应用镍铝化涂层的方法，该方法将零件与铝、活化剂(通常是氟化物)和氧化铝等热镇流器一起包装在容器中，整个容器加热到约1350°F(732°C)。在此处理之后，将零件取出，并在约1900°F(1038°C)下进一步热处理数小时，使铝扩散到零件表面，形成镍铝化物。对于某些应用程序，这个过程可能既昂贵又耗时。

喷涂扩散涂层的发明大大简化了镍铝化涂层的应用过程。有三个关键步骤来实现高性能喷涂镍铝涂层:表面准备，喷涂浆料，扩散热处理。虽然喷洒方法似乎很简单，但许多潜在的陷阱等待着缺乏经验的涂抹者。

表面处理

与大多数涂层系统的应用一样，适当的表面准备对于创建可接受的涂层是至关重要的。对于涡轮叶片，表面处理的第一步是化学或热脱脂。在这一阶段，必须完全清除所有有机污染物(油和污垢)，以便在下一步喷砂过程中，它们不会撞击在零件表面。

在喷砂时，零件表面通常用120- 240目氧化铝进行研磨。喷砂为喷涂涂层在扩散前的粘附提供了粗糙的表面。

图1。在650°F固化后但在扩散之前的涡轮叶片。

喷雾应用程序

该喷涂液体涂料由水性无机磷酸盐粘结剂与分散的铝粉和少量的金属硅粉组成。该材料粘度较低，约为200厘泊(cp)，因此涂抹器必须严格控制涂抹速度，以防止下垂和运行。

正是在这一阶段，表面准备不足往往成为一个问题。零件上的任何有机污染物——即使只是处理时留下的指纹——都会导致涂层起坑或爬行。精加工操作人员最初的反应可能是用较重的涂层来覆盖缺陷，但这种反应通常会加剧情况。

大多数喷涂扩散涂料最好使用传统的空气雾化补漆喷枪。喷涂较大零件时，倾向于改用较大的工业或汽车喷枪。然而，较大的喷枪可能会导致问题，因为喷雾液滴尺寸增加，这可能导致难以用涂层润湿表面。

当使用压力约为40psi的补焊枪时，最好在表面涂上一层几乎不明显的轻质“雾层”。在让“雾涂层”风干至暗灰色后，应涂上一层湿涂层，以使表面具有均匀的光滑外观，没有磨损或下垂。

喷涂涂层后，零件需要风干至暗灰色。然后，它们应该在650°F(343°C)下固化30分钟，以将涂层牢固地粘附在表面，并在扩散之前将涂层中的任何剩余水分驱出。如果绕过这一步，就会产生不均匀的扩散。可能需要几层涂层才能达到必要的干膜厚度，通常约为3至5密耳。厚度的检查最好用涡流计进行。

图1显示了一个涡轮叶片在650°F固化后但扩散之前的例子。在这个阶段，涂层有时被称为“绿色涂层”。

图2。扩散后，镍铝化物应为均匀的深灰色。

扩散

扩散过程在真空或惰性气体气氛中高温(1650至1950°F[899至1066°C])下进行。惰性气体或真空防止在高扩散温度下氧化，并允许绿色涂层中的铝迁移到基材中，在那里它与镍结合成为镍铝化物。

根据零件的大小，进行扩散所需的设备变化很大。大型发电机组零件扩散需要大熔炉;然而，一定程度的铝会以蒸汽的形式释放出来，然后会粘附在炉内。由于这个原因，大多数涂抹器在蒸馏器中进行扩散，蒸馏器本质上是一个容纳要扩散的部件的腔室，可以密封以抽真空或充满惰性气体，如氩气。

蒸馏器通常由铬镍铁合金或其他高温合金制成。然而，最近这些金属的价格一直在快速攀升。许多应用人员已经开始研究在蒸馏器中使用低等级钢的方法，即在钢表面涂上一种材料，使其在运行扩散循环时免受氧化。

在燃气轮机叶片的典型扩散过程中，涂有绿色涂层的叶片或部件被放置在蒸馏器内，通常与尽可能多的其他叶片或部件一起放置，然后将蒸馏器放入扩散炉中并用氩气进行净化。接下来将炉子提高到约1650°F，并保持约4小时。让零件冷却，然后取出。这些部分会在表面呈现出易碎的白色层，有时被称为浓汤。不熟悉这类涂料的涂抹者在看到浓浆后可能会认为扩散很差。浓汤只是在部分扩散之前将绿色涂层粘合在一起的粘结剂的残余。应在标准喷砂柜中通过玻璃珠抛光去除。合成的镍铝化物应为均匀的深灰色，如图2所示。

图3。扩散过程完成后的零件截面。底层是原始基材，其次是互扩散区，然后是镍铝化层。

在这个时候，涂层应用的问题将变得明显。在绿色涂层中出现的任何难以察觉的陨石坑或表面缺陷都将在镍铝化物中显示为不可接受的裸露点。扩散后出现的另一个问题是镍铝化层表面出现泥裂缝，这通常是由于在650°F绿色涂层固化之前应用了太多材料造成的。由于一旦零件经过扩散，就很难修复这些问题，因此在扩散循环之前，应非常小心地检查零件是否有缺陷。

每批零件都应包括一个报废零件或样品面板。扩散后，应将废料部分进行横切和安装，进行金相分析，以确定扩散深度，必要时，还应确定镍铝化的比例。图3为扩散过程结束后的零件截面图。底层是原始基材，其次是互扩散区，然后是镍铝化层。