重型燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件熱障涂層局部剝落損傷程度判定準(zhǔn)則

1重型燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件熱障涂層局部剝落損傷程度判定準(zhǔn)則本文件規(guī)定了重型燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件熱障涂層局部剝落損傷程度判定準(zhǔn)則的要求，描述了對應(yīng)的證實方法，給出了不同燃?xì)鉁囟认?，熱障涂層系統(tǒng)安全服役的臨界剝落面積隨涂層厚度變化規(guī)律的預(yù)測方法，以及高溫部件(以MarM247基材+熱障涂層(TBCs)為例)在高溫環(huán)境下(以1720K為例)安全服役的臨界剝落面積的判定方法。本文件適用于包括燃?xì)廨啓C(jī)渦輪燃燒室、燃燒器過渡段、渦輪導(dǎo)向葉片和動葉片等高溫下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注明日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注明日期的括所有的修改單)適用于本文件。GB/T42261-2022《金屬及其他無機(jī)覆蓋層溫度梯度下熱障涂層熱循環(huán)試驗方法》GB/T42259-2022《金屬及其他無機(jī)覆蓋層熱障涂層耐熱循環(huán)與熱沖擊性能測試方法》高溫燃?xì)馐侵高M(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)鉁囟?，通?？蛇_(dá)到1000攝氏度以上。利用高溫燃?xì)饪蔁嵴贤繉酉到y(tǒng)應(yīng)用在重型燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件表面、為高溫部件提供熱防護(hù)，具有優(yōu)異的材料通常為氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯，粘結(jié)層材料通常為MCrAlY。在高溫燃?xì)猸h(huán)境下，熱障涂層的失效過程多為陶瓷層的剝落，脫落2對于重型燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件安全服役溫度：針對高溫合金基材，其安全服役溫度為保證其設(shè)計壽命內(nèi)安全服役服役的推薦最高溫度(如MarM247建議<1173K),針對熱障涂層涂層建議<1323K),針對熱障涂層8YSZ陶瓷層，其安全服役為其長期穩(wěn)定服役無相變溫度(如采用大氣等離子(APS)噴涂8YSZ涂層建議<1473K)。役溫度時對應(yīng)的最小陶瓷層剝落直徑為d1,熱障涂層粘結(jié)層的最高服役溫度超過安全服役溫度時對應(yīng)的最小陶瓷層剝落直徑為d2,熱障涂層陶瓷層的的最高服役溫度超過安全服役溫度時對應(yīng)的最小陶瓷層剝落直徑為d3。高溫部件臨界剝落直徑Dc取d1、d2、d3的最小t:表示剝落區(qū)深度這里也表示TC的厚度。3重型燃?xì)廨啓C(jī)作為重要的發(fā)電和動力裝備，廣泛應(yīng)用于清潔能源、電力調(diào)峰、船艦動力等領(lǐng)域，具有極高的戰(zhàn)略地位。為了開發(fā)更高效率的重型燃?xì)廨啓C(jī)，需要不斷提高燃燒器及透平進(jìn)口溫度，由此將導(dǎo)致燃機(jī)高溫部件在遠(yuǎn)超金屬允許溫度的環(huán)境中運行，嚴(yán)重影響高溫部件的使用壽命。為了保障高溫部件安全穩(wěn)定服役，延長重型燃?xì)廨啓C(jī)的生命周期，需要在然而，熱障涂層隔熱陶瓷層在高溫、燃?xì)飧g、交變應(yīng)力等耦合惡劣環(huán)境下工作時，不可避免地會產(chǎn)生不同程度的局部剝落，會降低熱障涂層的熱防護(hù)性能。因此，熱障涂層的結(jié)構(gòu)完整性評價被認(rèn)為是燃機(jī)高溫部件熱壽命管理的重要一環(huán)。研究者們認(rèn)為，存在一個臨界局部剝落尺寸值：當(dāng)剝落區(qū)域小于此值時，熱障涂層損傷程度較小，仍然能夠為高溫部件提導(dǎo)致高溫部件超溫、燒損失效。目前，工程界從經(jīng)驗出發(fā)定義了若干種涂層局部剝落的臨界面積占比，比如5%、12%、20%等，但由于缺少理論和模擬支撐，這些臨界剝落尺寸尚未得到綜上所述，現(xiàn)有的局部剝落損傷程度的判斷方法存在評估方式簡單、缺乏理論支撐和模擬分析等缺點，因此，亟須建立起一種熱障涂層局部剝落后的損傷程度的判斷規(guī)范，及時對受損后熱障涂層的性能進(jìn)行有效評估，從而為熱障涂層及高針對現(xiàn)在燃機(jī)高溫部件用熱障涂層局部剝落損傷程度的無評判準(zhǔn)則問題，基于熱流固耦合換熱模型，獲得了熱障涂層在不同局部剝落寬度條件下各層的服役狀態(tài)，并開展燃?xì)鉄釠_擊環(huán)境下熱障涂層關(guān)鍵位置的溫度測量，驗證有限元計算結(jié)果；在此基礎(chǔ)上，以溫度場的變化為基準(zhǔn)，建立相應(yīng)的評價方法與標(biāo)準(zhǔn)，對熱障涂層的損傷程度進(jìn)行判斷，可有效提升熱障5.1熱障涂層系統(tǒng)安全服役的臨界剝落直徑為例，背冷環(huán)境溫度T=300K,熱交換系數(shù)為he=6804陶瓷層厚度t分別為0.2mm,0.3mm,0.4mm,0.5mm,0.6mm5.1.3高溫部件安全服役的熱障涂層臨界高溫合金基材、陶瓷層、粘結(jié)層的最高服役溫度的判斷方法見附錄B。5.1.3.1陶瓷層厚度為0.2mm為保證陶瓷層服役溫度低于安全服役溫度，其臨界剝落面積為直徑d3為12.5mm,保證高溫合金基材服役溫度低于安全服役溫度，其臨界剝落直徑d1件基材及熱障涂層系統(tǒng)在其在陶瓷層厚度為0.2mm時，高溫部件陶瓷層界剝落直徑Dc5.1.3.2陶瓷層厚度為0.3mm為保證陶瓷層服役溫度低于安全服役溫度，其陶瓷mm,熱障涂層粘結(jié)層服役溫度始終低于其安全服役溫度，其臨界剝落直徑d2視為無窮大，為保證高溫合金基材服役溫度低于安全服役溫度，其臨界剝落直徑d1為3.7mm。直徑Dc為3.7mm。5.1.3.3陶瓷層厚度為0.4mm為保證陶瓷層服役溫度低于安全服役溫度，其陶瓷層臨界剝落面積為直徑d3為8.5mm,熱障涂層粘結(jié)層服役溫度始終低于其安全服役溫度，其臨界剝落直徑d2視為無窮大，為保證高溫合金基材服役溫度低于安全服役溫度，其臨界剝落直徑d1為7.5mm。直徑Dc為7.5mm為保證陶瓷層服役溫度低于安全服役溫度，其陶瓷層臨界剝落面積為直徑d3為7.5mm,熱障涂層粘結(jié)層服役溫度始終低于其安全服役溫度，其臨界剝落直徑d2視為無窮大，為保證高溫合金基材服役溫度低于安全服役溫度，其臨界剝落直徑d1為9.8mm。直徑Dc為7.5mm5.1.3.5陶瓷層厚度為0.6mm為保證陶瓷層服役溫度低于安全服役溫度，其陶瓷層臨界剝落面積為直徑d3為6.5mm,熱障涂層粘結(jié)層服役溫度始終低于其安全服役溫度，其臨界剝落直徑d2視為無窮大，為保證高溫合金基材服役溫度低于安全服役溫度，其臨界剝落直徑d1為13.5mm。5直徑Dc為6.5mm包含局部剝落直徑分別為0mm,1mm,3mm與5mm的試樣。將這些熱障涂層按照附錄A要求進(jìn)行實驗，測量陶瓷層最高溫度隨陶瓷層厚度和剝落直徑的變化規(guī)律，并與附錄BDiametcrofSpallationarca/mmDiameierofSpallationarcamm在高溫部件修護(hù)檢查時，如陶瓷層涂層局部剝落直徑超6.2范圍描述了對應(yīng)的證實方法，給出了不同燃?xì)鉁囟认?，熱障涂層系統(tǒng)安全服役的臨界剝落面積隨涂層厚度變化規(guī)律的預(yù)測方法，以及高溫部件(以MarM247為例)在高溫環(huán)境下(以1720K為例)安全服役的臨界剝落面積的判定方法。6測試儀器為燃?xì)鉄釠_擊實驗臺，環(huán)境溫度為25℃。燃?xì)鉄釠_擊實驗臺使用天然氣和氧氣混合燃燒產(chǎn)生的火焰加熱試樣。試樣背部為壓縮空氣冷卻，為試樣提供接近于真實用一個完整狀態(tài)的熱障涂層試樣標(biāo)定燃?xì)鉄釠_擊實驗臺參數(shù)，使得陶瓷層表面溫度在標(biāo)定好的燃?xì)鉄釠_擊實驗臺參數(shù)下，對試樣開展燃?xì)鉄釠_擊實驗降溫五分鐘。同時，用紅外測溫儀記錄熱障涂層表面的最高溫度(剝落區(qū)域的邊緣位置)變化曲線，試驗基材溫度采用預(yù)埋熱電偶記錄其最高溫度變化曲線。溫度變化曲線穩(wěn)定7(規(guī)范性)一、數(shù)值研究局部剝落對各層溫度的影響利用CATIA軟件建立典型熱部件的三維結(jié)構(gòu)模型，其中，典型熱部件的三維近的傳熱和粘性流動。網(wǎng)格的拉伸比在0.5~3之間，能夠保證良好的計生成了大約240,000個高質(zhì)量網(wǎng)格。此外，還進(jìn)行了網(wǎng)格的獨立性的細(xì)化，結(jié)果在溫度場中的誤差小于1%,達(dá)到了足夠的精度。耦合換熱計算涉及到多個場(溫度場、流場等)之間的相互作用，其耦合作用通過界面關(guān)鍵8