燒嘴端面熱障涂層應用特性分析*

張鎵鑠，曾磊赟，匡建平，薛志村，夏支文，唐昭帆

(1 寧夏神耀科技有限責任公司，寧夏 銀川 750200；2 中國船舶集團公司第七一一研究所，上海 201108)

煤氣化燒嘴是實現煤氣化爐長周期高效穩定運行的關鍵設備，煤氣化燒嘴燒損將導致氣化爐停車，影響整個煤氣化系統的運行效率。由于氣化爐內高溫、高壓，以及燒嘴材料、裝配精度、加工精度等原因，氣化爐燒損問題主要集中于燒嘴頭部端面位置[1-2]。為了延長燒嘴頭部使用壽命，除了提高燒嘴端面材料耐溫耐腐蝕強度外，需最大程度降低端面向火側的金屬溫度才能有效保護其不被燒損。熱障涂層由絕熱陶瓷層和基體合金組成，具有低熱導率和高反射率的優點[3]，是解決燒嘴燒損問題的主要方案之一。

熱障涂層技術源于航空航天領域。為了將發動機的推重比提高至15～20，必須提高燃燒室的出口溫度至1800～2100 ℃，這樣的高溫高壓環境大大超過了最先進的定向凝固單晶高溫合金材料的極限使用溫度(≤1150 ℃)，必須采用先進的葉片冷卻氣膜技術和熱障涂層技術[4]。一般地，熱障涂層系統[5]包括三層：(1)MCrAlY粘結層(M：Co、Ni或Co/Ni)，在合金基底與陶瓷隔熱層之間形成過渡和形成氧化防護層，這是熱障涂層抗高溫腐蝕氧化的關鍵層。可用大氣等離子噴涂(Air Plasma Spraying，APS)、低壓等離子噴涂(Low Pressure Plasma Spraying，LPPS)、真空等離子噴涂(Vacuum Plasma Spraying，VPS)或者超音速氧燃料(High Velocity Oxygen Fuel，HVOF)等熱噴涂技術或者電子束物理氣相沉積(Electron Beam-Physical Vapor Deposition，EB-PVD)技術制備；(2)高溫氧化過程中，由元素擴散氧化形成的熱生長氧化物層(Thermally Grown Oxide，TGO)；(3)等離子噴涂(Plasma Spraying，PS)或B-PVD制備的陶瓷隔熱層。熱障涂層技術的出現彌補了高溫合金抗高溫氧化腐蝕性能的不足，解決了航空發動機的高溫力學性能與耐腐蝕性之間的矛盾，其應用領域也不斷擴大。

熱障涂層技術在拓展應用領域的過程中，顯著的技術問題便是涂層失效問題。普遍認同的熱障涂層失效機理[6-7]主要有兩種：①由熱應力失配引起的失效；②由界面處缺陷和熱生長氧化層(TGO)生長造成的失效。不論其主要失效機理原因，熱障涂層失效的宏觀表現主要為陶瓷涂層與粘結層、基體材料與粘結層之間形成的裂紋以及裂紋的拓展，甚至導致涂層脫落[8]。氣化爐內[9]雖然是還原性氣氛，但燒嘴將噴射氧氣，燒嘴附近存在高氧濃度區域，可能造成熱障涂層的熱生長氧化層(TGO)生長擴散導致失效。因此，燒嘴端面的應用環境對熱障涂層性能提出了更高的要求。為了實現熱障涂層在氣化爐燒嘴領域的應用，研究熱障涂層的失效機理，延長熱障涂層的使用壽命勢在必行。

本文將熱障涂層技術與燒嘴技術相結合，開展模擬研究對比增加熱障涂層前后燒嘴端面金屬材料的溫度分布，開展熱震性實驗測試不同涂層材料以及不同噴涂工藝熱障涂層的熱震性，致力于實現熱障涂層技術在氣化爐燒嘴領域的應用，解決燒嘴端面燒損問題。

1 燒嘴端面熱障涂層隔熱性能模擬分析

1.1 燒嘴端面模型

圖1是一種煤氣化爐示意圖以及燒嘴工作狀態示意圖。氣化爐形式以及燒嘴形式多樣，圖1僅作為示意，表征燒嘴端面的運行環境。燒嘴端面內側具備冷卻水通道，外側則是氣化爐爐膛。如圖1所示，燒嘴端面處于高溫高壓環境，其壓力通常高于4 MPa，環境平均溫度高于1200 ℃，燒嘴附近溫度更高，火焰溫度超過2000 ℃。因此，燒嘴端面存在較高燒損風險。此外，氣化爐內還有多種組分以及大量固體顆粒，也將導致端面侵蝕和磨損。多種因素作用下，燒嘴運行一段時間后，端面通常將出現裂紋，從而導致冷卻水泄漏，最終導致氣化爐停車。

圖1 煤氣化爐及燒嘴工作狀態示意圖

由于燒嘴端面基本呈圓周分布，且各向輻射以及換熱均勻，可將燒嘴端面模型簡化為如圖2所示的二維結構。其中最外側薄層代表噴涂在燒嘴端面的熱障涂層，厚度為0.35 mm；與熱障涂層相連區域則是燒嘴端面的金屬材料；冷卻水主要流通區域大致如圖所示，采用沿圓周內進外出的方式，為簡化模型將設置固定對流換熱系數表征冷卻作用；燒嘴的粉煤和氧氣通道由于與本次模擬無關，未在模型圖中進行詳細表述。如表1和表2所示，分別是材料的物性參數以及數值仿真的邊界條件。由于模擬研究主要探究熱障涂層對于溫度分布的影響，因此邊界條件設置簡化為固定參數。模擬中將改變氣化爐側的煙氣溫度，探究不同環境輻射溫度條件下，熱障涂層對于降低金屬材料溫度的作用。

圖2 熱障涂層隔熱效果計算模型

表1 熱障涂層及燒嘴端面物性參數

表2 邊界條件

1.2 燒嘴端面溫度場模擬結果分析

如圖3所示為有熱障涂層和無熱障涂層的燒嘴端面溫度分布圖。模擬結果顯示，在倒角位置的最高溫度從620 K下降至338 K，下降幅度達45%。可見，熱障涂層對于降低燒嘴端面金屬材料溫度具有顯著效果。分析其原因可得，熱障涂層導熱系數小，熱阻R與導熱系數呈反比，在導熱面積相同的條件下，熱障涂層的熱阻遠大于燒嘴端面材料的熱阻。而對于相連物體，總溫差不變的情況下，熱阻越大的物體，其兩端的溫度差則越大。

圖3 1873 K下燒嘴端面溫度分布

圖4所示是在不同爐膛輻射溫度影響下端面平均壁溫變化曲線。對比圖中曲線可得，當環境溫度逐漸升高，兩種模型模擬得到的平均壁溫，雖然呈現升高趨勢，但無隔熱層的端面平均壁溫升高速率更大。可見，隔熱層對于保護燒嘴端面具有顯著效果，且環境溫度越高，其保護作用越顯著。

圖4 燒嘴端面平均壁溫變化曲線

2 熱障涂層抗熱震實驗分析

2.1 實驗內容及方案

抗熱震性能主要有空氣急冷法和水急冷法兩種測試方法，本文采用水急冷法進行。實驗目的在于探究不同試樣開始出現裂紋以及發生剝落現象時的實驗次數以及試驗溫度，從而判斷不同涂層材料以及噴涂工藝對熱障涂層性能的影響。

熱震實驗將材料及制備工藝不同的四塊熱障涂層試板依次置于八個溫度條件(如表3所示)下進行加熱，在實驗溫度下恒溫一段時間后進行激冷實驗，每個實驗溫度激冷次數為5次，當熱障涂層脫落率超30%，該試板試驗終止。

表3 抗熱震實驗涂層及溫度參數

熱震實驗具體流程如圖5所示，實驗步驟如下：① 將制備好涂層的試板整體放入馬弗爐內加熱至指定溫度(500 ℃，600 ℃，700 ℃，800 ℃，900 ℃，1000 ℃，1100 ℃，1200 ℃)，加熱速率為50 ℃/min；②到達指定溫度后，停留1 h；③將試板立即取出置于25 ℃的水中激冷；④觀察試板熱障涂層是否發生裂紋或剝落，進行圖像記錄并記錄質量變化；⑤每個溫度點激冷5次后進行下一個階段溫度測試；⑥當剝落面積超過涂層總面積的30%時，可停止該試樣的實驗，用攝像機記錄各個樣件的涂層狀態，并記錄質量變化。

圖5 熱震實驗流程圖

熱震實驗所采用的四種不同涂層材料試板及其詳細特征如表4所示。涂層材料主要有釔穩定氧化鋯(YSZ)和鈰酸鑭(La2Ce2O7，LCO)。由于熱障涂層材料噴涂后有微小空隙，致密性不足，采用YSZ材料的試板通過封閉氣孔的工藝過程進行處理，并對有無封孔工藝的試板進行對比；采用LCO材料的熱障涂層均采用封孔工藝，其中一塊試板增加一層氧化鋁涂層。

表4 試板特性

2.2 熱障涂層熱震性能分析

抗熱震性，也稱熱穩定性，熱震穩定性，抗熱沖擊性，抗溫度急變性，耐急冷急熱性等，指材料在承受急劇溫度變化時，評價其抗破損能力的重要指標。熱震實驗是評價試樣經受1次或多次溫度急劇變化的損傷程度，是檢驗金屬表面涂層和金屬基材結合能力以及涂層本身抗熱震性能的標準檢驗手段之一。中國標準實驗方法有直形磚水淬冷法和長條式樣實驗法。

2.2.1 YSZ涂層

圖6為表面具備氧化鋯涂層的試板再不同溫度條件下進行熱震實驗后的一系列圖像，圖像中清晰展示了實驗過程中，隨實驗溫度的提高，試板正面及側面的變化趨勢。圖中所示的Ta-b表示在溫度為a ℃條件下第b次激冷后的正面及側面圖像。分析實驗圖像可見，當恒溫溫度小于1000 ℃時，激冷后1號試板表面未出現明顯變化。1號涂層在實驗溫度為1100 ℃時的第2次激冷過程中首次出現涂層脫落現象，從此時側面圖發現，雖然小區域出現脫落，但其他區域未出現明顯變化。1100 ℃時的第3次激冷過程中1號涂層再次出現小部分脫落，而其他部分未出現明顯變化。1100 ℃時的第4次激冷過程中1號涂層大幅度脫落，且大部分區域出現粘合不牢固或鼓起現象。1100 ℃時的第5次激冷過程中1號涂層脫落面積超過30%。從一系列側面圖像中則發現，當實驗溫度超過900 ℃后，隨著實驗的進行，1號試板逐漸發生彎曲，并隨實驗溫度升高，彎曲程度更加顯著。

圖6 YSZ涂層試板熱震實驗圖像

2.2.2 采用封孔工藝的YSZ涂層

圖7為采用封孔工藝的YSZ涂層的實驗圖像。實驗現象與1號試板相似，2號試板在實驗溫度小于1100 ℃的激冷過程中均未出現顯著變化。而當實驗溫度提高至1200 ℃時，2號試板的涂層在第1次激冷實驗中便出現了大幅度的脫離，雖然圖像中涂層未出現脫落，但其原因在于涂層的大塊區域整體脫離造成脫落部分仍與未脫落部分粘合，使脫落部位未完全掉落。從側面即可看出一半以上區域的涂層已不再粘附與金屬之上。2號試板同樣也出現了試板隨實驗出現彎曲的現象，且彎曲趨勢與1號試板相同。對比1號和2號試板可得，封孔工藝對于提高熱障涂層熱震性效果不顯著。

圖7 采用封孔工藝的YSZ涂層試板熱震實驗圖像

2.2.3 采用封孔工藝的LCO涂層

圖8為采用封孔工藝的LCO涂層試板的實驗圖像，相比于前兩張涂層方案，3號熱障涂層展示了優異的抗熱震性能。經過一系列的熱震實驗后，3號涂層未出現明顯脫落現象，僅在涂層表面出現微量細紋。此外，材料的顏色和質地出現些許改變。由側面圖像發現，LCO涂層試板存在變形行為。

圖8 采用封孔工藝的LCO涂層試板熱震實驗圖像

將圖8中方框內區域進行放大對比，如圖9所示。隨著實驗溫度提高，涂層顏色逐漸加深，涂層表面細紋在實驗溫度為1000 ℃時開始出現，隨著實驗的進行細紋增多，紋路加深。可見，LCO材料相比YSZ材料具有更好的熱震性。

圖9 采用封孔工藝的LCO涂層試板熱震實驗局部放大圖像

2.2.4 LCO與Al2O3雙層涂層

圖10所示為LCO與Al2O3雙層涂層試板，即在LCO之上增加一層Al2O3涂層，以便強化其抗熱性能。然而結果顯示，Al2O3涂層在實驗溫度為900 ℃時的第4次實驗便開始脫落，最終在1000 ℃時的第2次實驗脫落區域超過30%?？梢夾l2O3涂層的增加未起到明顯作用。

圖10 LCO與Al2O3雙層涂層試板熱震實驗圖像

2.2.5 試板質量隨實驗變化

圖11為各試板質量隨實驗過程進行的變化曲線。當恒溫溫度較低時，試板經過激冷后質量無顯著變化。當恒溫溫度提高后，1號和4號試板經過激冷出現涂層脫落時試板也出現相應的質量損失。2號試板僅在最后一次實驗中出現大幅度涂層脫落現象，但大部分未完全脫離試板，因此質量未出現明顯變化。3號試板在恒溫溫度為1200 ℃時，經過5次激冷后仍未出現涂層脫落現象，但3號試板在恒溫溫度為1200 ℃的實驗中出現了質量損失，但損失比例較小，且未觀察到明顯脫離現象，其原因在于涂層雖然未出現脫落，但涂層表面仍然有少量物質受溫度急劇變化影響使其出現小部分損失。此外不排除金屬層出現質量損失引起試板質量變化的可能性。

圖11 各試板質量隨實驗過程變化曲線

3 結 論

為提高氣化爐燒嘴端面使用壽命，采用在燒嘴端面增加熱障涂層的方式，改善燒嘴端面整體溫度分布情況，降低燒嘴端面金屬材料溫度，從而在燒嘴端面形成保護層，延長其使用壽命。本文開展了熱障涂層對燒嘴端面溫度場分布影響的模擬研究，并開展了不同材料及噴涂工藝的熱障涂層抗熱震實驗研究。主要結論如下：

(1)熱障涂層能夠顯著降低燒嘴端面金屬問題，且環境輻射溫度越高，其降低幅度越大，環境輻射溫度為1873 K的條件下，燒嘴端面增加熱障涂層后可使溫度降低45%；

(2)采用封孔工藝的LCO材料熱障涂層抗熱震性能最佳；

(3)LCO涂層外部再增加一層Al2O3涂層未見顯著強化效果。