火焰筒喷涂高温搪瓷工艺试验研究

刘澎涛

摘要：随着燃气轮机燃烧室热端部件的使用温度愈来愈高，对这些部件的抗热震和抗高温氧化性能提出了更高的要求。搪瓷涂层高温抗氧化性、耐热腐蚀性很强，价格低廉，适合于金属材料的表面防护。通过抗热震和抗弯曲性能试验，选择合适的高温搪瓷喷涂工艺，为尽快掌握该高温搪瓷漆的烧结工艺，以及找出喷涂高温搪瓷崩瓷的原因，首先在试片上对烧结工艺的主要工序环节进行对比试验，然后在火焰筒零件上进行喷涂试验。

关键词：燃气轮机、火焰筒、高温搪瓷、崩漆

引言：

某燃气轮机火焰筒表面喷涂高温搪瓷涂层以改善其使用性能。搪瓷涂层经高温烧结后在火焰筒表面形成一层致密的耐高温涂层。搪瓷的主要成分是玻璃料和三氧化二铬，抗氧化性是高温搪瓷的主性能，在使用温度下，玻璃质涂层处于高粘性状态，阻止氧化性的燃气向金属表面扩散，从而起到阻止金属氧化和减少金属表层合金元素贫化的作用。由于涂层在高温高速高腐蚀性气流中工作，涂层应同时具备耐热蚀性、耐磨蚀性，以及耐热震性。同时，搪瓷涂层也有改善火焰筒应力状态和应力分布，缓解热震的效果。

火焰筒的国产化后基体材料选用高温合金GH3044（与外方材料的诸项理化性能指标相仿），搪瓷漆料选用北京天力创玻璃开发有限公司（用于在950～1000℃高温下燃烧室火焰筒的防护）。

必要的工艺试验将为火焰筒喷涂高温搪瓷的烧结工艺奠定基础，考虑到火焰筒允许烧结的次数有限制，不宜直接用火焰筒做实验。因此，选用两个实验阶段来完成该工艺的研究。实验阶段一：用同材质的试片来代替火焰筒，总结出准确的烧结温度和烧结时间。实验阶段二：在火焰筒零件上进行工艺攻关，完成高温搪瓷喷涂工艺规程。

（一）实验

粘度是搪瓷料中蒸馏水含量多少的表象。蒸馏水的功能是使搪瓷料浆通过喷枪喷射到零件上并附着在其上。在静置和烘干工序，水分將完全散失掉，因此，在涂层均匀且厚度满足要求时，粘度值在规定范围内即可，在规定范围内的粘度值对烧结结果几乎没有影响。

喷砂的目的是清理火焰筒表面的氧化皮、锈蚀、积碳、焊渣、旧漆或磨痕，从而降低火焰筒的表面粗糙度，增加覆盖层与基体的结合强度。喷砂的效果可以影响最终的烧结结果，但是喷砂的效果与沙粒的粒度、风压、喷嘴与被喷面的距离、吹砂角度等诸多因素有关，单纯的砂粒粗细的合理变化对最终的烧结结果影响甚微。因此，喷砂后（3小时内完成喷涂）使火焰筒表面均匀、呈现灰色无光泽的状态为最好。

（二）实验材料

W-200高温搪瓷料浆、模拟火焰筒（锥筒、座圈以及混合器压型后未经去应力处理就焊接成一体，也为进行焊后去应力热处理）、正式火焰筒（按工艺流程完成的可装机的火焰筒）、与火焰筒材质相同的高温合金试片、烧结工装

（三）实验设备

烧结炉，功率90KW，额定温度1300℃，炉温均匀性±5℃，炉内空间1200×500×750mm（有效尺寸长×宽×高）

（四）对比试验

结果分析：实验中的烧结温度为烧结炉炉温均匀后的温度，而规定烧结温度不得低于1150℃，则是零件装入烧结炉后的起始最低温度，烧结时间则以零件入炉开始计算时间。

因此，最佳烧结温度为1190℃（装炉前烧结炉的温度，火焰筒送入烧结炉前后，会用能量消耗，导致温度下降），最佳烧结时间为3～4min（零件入炉后开始计时，仅针对试片）。

结果分析：模拟火焰筒烧结后应力集中，在曲面处最大，导致搪瓷层崩漆;正式火焰筒2号烧结时间过长，搪瓷料浆中的玻璃料过烧，至火焰筒表面呈暗绿色并出现麻点;正式火焰筒3号烧结时间过短，搪瓷料浆中的玻璃料未被烧透，至搪瓷料浆未在火焰筒上成形导致大量掉漆;正式火焰筒1号（锥筒朝下）放置在工装上直接与工装接触，虽然工装吸热较大，但是与之接触的锥筒部位壁厚为1.5mm，烧结6～7分钟后保证火焰筒处于烧透状态，又不过烧，可以呈现完美的高温搪瓷。

因此得出结论：对比试片，在其它参数以及烧结温度不变的情况下，由于火焰筒的作业面更大，火焰筒的烧结时间要增加到6～7分钟为宜。影响火焰筒喷涂高温搪瓷掉漆的原因有很多，其主要原因是火焰筒的前处理要完整，锥筒、座圈、混合器在焊接前要进行单独的去应力热处理，在焊接后还要进行焊后的去应力热处理。烧结温度和烧结时间对搪瓷崩漆也起到关键的作用，在保证玻璃料烧透又不过烧的情况下进行足够时间的烧结，可以得到完美的搪瓷。

（五）结论

根据积累的经验看，高温搪瓷喷涂工序多且复杂，对高温搪瓷料浆的搅拌、粘度控制和对火焰筒零件的除油、吹砂等工序按照常规方法执行即可，而喷涂完成后的烧结温度和烧结时间才是此工艺试验的难点。

高温搪瓷料浆粘度的变化、喷砂砂粒大小对崩漆原因影响较小，零件喷涂前的去应力处理、烧结温度、烧结时间以及烧结火焰筒的摆放对崩漆影响很大。一般认为温度越高，熔融状态越好，但是温度过高会使金属氧化物发生过烧现象，引起耐热层的颜色变化及崩漆现象。为获取较好的表面质量，应以规定较高的温度将零件装入烧结炉，开始计时，并在适当的时间内取出，这样较高的温度使搪瓷料充分熔融，较短的时间可以避免搪瓷料中的氧化物出现过烧现象。

参考文献：

[1]机械工程手册电机工程手册编辑委员会.机械工程手册—机械制造工艺及设备卷（一）[M].北京：机械工业出版社，1996.

[2]航空制造工程手册总编委会.航空制造工程手册—表面处理[M].北京：航空工业出版社，1993.

作者简介：（1985，12-），男，汉族，黑龙江哈尔滨人，本科学历，职称：中级工程师，中船重工龙江广瀚燃气轮机有限公司。