船用燃机热障涂层服役工况的特殊性探究
目前，船用燃机主要装备于大型舰船与远洋船舶，不可避免地单周期内长时服役于海洋大气环境下，其热端部件的服役工况具有长时、高温、高湿、高盐雾等典型特点。因此，船用燃机的损伤形式以长时高温环境下的热力耦合失稳与复杂多介质侵蚀为主[7]，对于热障涂层陶瓷材料的高温相稳定性、热力耦合性质、抗熔盐侵蚀性能等提出了极高的要求。下面将主要从热力耦合损伤与熔盐侵蚀两方面分析船用燃机热障涂层的服役工况特殊性。
1 长时高温环境下涂层的热力耦合损伤问题
现代的舰船服役寿命约为 30年，服役周期内通常 3~5 年时间内需进行例行检修，以保证船舶的服役稳定性。但由于动力系统一般被安置于舰船的最底层空间极为有限的舱室，而机匣等零件尺寸大、重量沉，导致检测维修空间捉襟见肘，例行检修往往仅是将燃机机匣提升有限高度进行目视检测，不具备对于热障涂层损伤部件进行现场修复的工作条件。而如果对损伤的热端部件进行更换则需要对舰船上层甲板进行切割将燃机整体吊出维修，工作极为复杂且工期较长，往往仅在舰船大修升级期间进行。由此可以推算船用燃机关键热端部件表面的热障涂层服役寿命应大体与船舶的大修周期匹配，达到万余小时[8]，如 MT-30燃气轮机热端部件的预计大修时间为 12500h，整机大修时间为 24000h。因此，对船用燃机热障涂层的长时服役性能要求极为严格。目前广泛应用于航空发动机叶片上的热障涂层的热循环寿命可以满足航空发动机几千小时的服役防护需求，但应用于舰船燃气机热端部件的表面防护时则会出现较为严重的长时高温热力耦合损伤问题。在船用燃机实际运行中，高速旋转的涡轮发动机叶片将高温高压的气流吸入燃烧器的同时承受了气流所产生的高负荷的应力和较高的工作温度，而汽缸燃烧作功产生的循环使应力和温度的变化剧烈，导致船用燃机叶片表面的热障涂层面临较为严重的高温氧化和热冲击损伤。相关研究表明，现有的传统YSZ 涂层在高温下长期服役时，因陶瓷涂层与底层金属成分之间的热膨胀系数失配，使陶瓷层内部及其与黏结层的界面处易形成局域应力集中，诱发涂层内部缺陷拓展出现连续的垂直裂纹。同时，受高温环境下金属氧化行为影响，在陶瓷层与黏结层界面处易形成强度较低的热生长氧化(Thermally grown oxide，TGO) 层，进而导致在热循环过程中裂纹在 TGO/黏结层界面处萌生并扩展[9]，如图 1所示[10]，一旦连续的纵向垂直裂纹与水平裂纹交汇则极易导致涂层脱落。为此针对船用燃机热端部件的热障涂层防护系统不仅要满足舰船长时高温的运行要求，而且要充分考虑到在高温燃气的工作条件下，由涂层内部的热力耦合失稳诱发的组织转变与结构损伤问题。因此，应用于船用燃机的陶瓷基热障材料在承受急剧温度变化时要具有优异的抗破损能力，即抗热冲击与抗烧结性能。
2 含有S、V、Pb等元素的多介质 熔盐热腐蚀损伤
与航空发动机服役于高空较为纯净大气环境不同的是，船用燃机服役于近海面环境，其燃烧做功用气多取自于海洋大气环境，特别是位于近赤道低纬地区的我国南海海域，与其他海域的海洋环境相比，具有常年高湿热、高盐雾及高降雨量的特点，需要着重研究海洋大气环境对船用燃机热障涂层服役行为的影响[11]。
海洋大气中含有的大量盐分以不同的粒径或形式存在于大气中[12]，通常温度、风速、湿度越大，盐含量越高。在恶劣气候以及舰船航行时击起浪花的情况下，空气中的盐含量更高。而行驶于海面附近的船舶，其船用燃机在工作时将会不可避免地吸入大量的盐雾，尽管船用燃机现多配备有较为完善的盐雾过滤装置，但仍存在盐雾进入燃机透平部件的问题。同时，船用燃机用的燃料多含有少量的 S、Mg、Pb、V 等元素的杂质，在燃烧过程中将转变为氧化物及腐蚀盐，在高温作用下与海洋大气环境中的NaCl 等形成以 Na2SO4与 V2O5（或NaVO3）为主的熔融态酸性 / 碱性的熔盐沉积在叶片表面，造成积盐问题。而由于热障涂层面层 YSZ 特殊的多孔隙、多裂纹的结构，高温下的熔融态盐雾和有害物质等依靠这些扩散通道向涂层内部渗透。而 Y2O3-ZrO2（YSZ）体系中由于稳定剂 Y2O3的存在 ZrO2主要为非平衡四方相（Non-equilibrium tetragonal zirconia, t'- Zr O2），基于 Lewis 酸碱理论，熔融态腐蚀盐易与 Y2O3稳定剂发生如反应式（1）所示的腐蚀反应，导致涂层内部 Y2O3含量降低，继而诱发如反应式（2）所示的伴随有体积变化的不利相变[13]，进而导致涂层内部应力累积萌生裂纹并拓展乃至失效。同时，空气中的熔盐对 YSZ 面层的腐蚀作用不明显，但在高温条件下如图 2 所示[14]，熔盐会通过氧化锆基涂层中的缺陷进入涂层内部，在涂层内部的熔盐可以在短时间的热腐蚀试验中填满陶瓷层内部孔隙，降低涂层整体隔热性能，并渗入到黏结涂层的界面附近加速 MCrAlY 黏结层的氧化，严重缩短了涂层寿命[15]。
此外，热腐蚀问题将会使叶顶间隙发生变化，对流体在涡轮机内部的流动产生不利影响，进而导致燃机性
能衰退甚至发生叶片断裂失效，给装备的运行埋下极大的安全隐患，严重危害舰船动力系统的稳定服役。因此，在研发海洋高适配性热障涂层时，除了要考虑涂层服役条件所必需的长时高温的需求之外，热障涂层也面临着严重的热腐蚀问题亟待解决。
