4 叶片涂层
要求对叶片进行涂层，防止叶片腐蚀、氧化和力学性能劣化。由于高温合金越来越复杂，不使用涂层而获得更高强度和令人满意的耐腐蚀和氧化性能变得越来越困难。因此，进气温度不断提高的趋势增加了对涂层的需要。所有涂层的功能都是在表面形成一层致密的附着力很强的氧化层，起到防止基体材料氧化、腐蚀和劣化的作用。由经验可知，涂层或未涂层的叶片的寿命均主要取决于燃料和气体的污染程度以及叶片的工作温度。这一影响如图10所示——钠（一种普遍的污染物）对工作温度为871℃的叶片寿命的影响。污染物的增加会造成一种加速破坏的形式产生，即热腐蚀。
图10 钠对叶片腐蚀寿命的影响
除了热腐蚀外，抗高温氧化和热疲劳性能也是高进气温度燃气轮机的重要评判标准，如图11所示。在现代的先进燃气轮机中，不仅要考虑叶片外表面的氧化问题，还要考虑内部通道（比如冷却孔）的氧化问题。
图11 叶片涂层要求和涂层发展过程
4.1 热腐蚀
热腐蚀是一种快速破坏形式，通常与由碱金属污染物（比如钠和钾）同燃料中的硫反应形成熔融的硫化物有关。在燃料或空气中即使有百万分之一的这种污染物就足够造成热腐蚀。有很多方式可以引入钠，比如液体燃料中的盐水，通过在盐水或其他污染区附近区域运行的燃气轮机空气入口进入，或随着水/蒸汽注入的污染物。除了碱金属（比如钾和
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钠）外，其他化学元素也会影响或造成叶片腐蚀。这些元素中值得注意的是钒和铅。钒主要来自原油和残油，铅主要来自汽车尾气或加铅汽油的运输污染物。
目前，工业认可的主要有两种形式的热腐蚀，虽然它们的危害是一样的。它们分别是高温（类型1）和低温（类型2）热腐蚀。早在1950年代就认识到了高温热腐蚀。它是在硫酸钠（Na2SO4）存在下在816～927℃温度范围内发生的一种急速氧化形式。硫酸钠是在燃烧过程中钠、硫和氧反应生成的。硫是燃料中存在的一种天然污染物。低温热腐蚀作为一种单独腐蚀破坏机理是在1970年代中期被认识到的。在条件具备的情况下，这种破坏的危害非常大。它发生在593～760℃温度范围内，并且要求足够的SO2分压。它是由在硫酸钠和一些合金成分（比如镍和钴）的共同作用下形成的低熔点共晶化合物造成的。实际上，它与燃煤锅炉中所说的炉边腐蚀（fireside corrosion）的腐蚀形式有些类似。 两种类型的热腐蚀造成不同的破坏性形式，如图12和13所示。
图12 高温热腐蚀
图13 低温热腐蚀
给出的是被腐蚀材料的金相横截面。高温腐蚀的特征是晶间腐蚀、硫化物粒子和有基体金属的裸露区域。低温热腐蚀的特征是无裸露区域、无晶间腐蚀，有层状腐蚀氧化皮。
预防两种类型腐蚀的方法类似。第一，减少污染物；第二，尽可能使用抗腐蚀性好的材料；第三，进行涂层以提高叶片合金的抗腐蚀性能。
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4.2 高温氧化
当氧原子与金属原子结合形成氧化皮，金属氧化就发生了。温度越高，氧化过程越迅速，如果太多的基体金属被氧化物消耗掉，零件就可能失效。图14a给出了已经运行约30000小时的经涂层的叶片的显微组织，可以看到涂层没有明显的氧化破坏。
与此相反，图14b给出了相同类型涂层的显微组织——经过约相同时间的服役，被严重腐蚀。在更高的温度，正如图14b所示那样，在图层中有一定铝，使表面产生保护性氧化物，氧可以扩散到涂层结构内部，形成离散、不连续的氧化铝颗粒。这种现象称为内部氧化。这样会大大减少铝在涂层中含量，从而减低涂层的保护作用。
图14a 服役后涂层叶片的完整显微组织 图14b 显示内部氧化（暗色颗粒）的叶片材料照片
在更高的温度（＞899℃），除非有阻止氧向金属表面扩散的障碍物，某些材料的氧化腐蚀会相对很快。氧化铝（Al2O3）提供了这样的障碍。如果高温合金的铝含量足够高，高温合金表面再高温下会形成氧化铝层。因此，合金在氧化早期会形成自己的保护层——一层致密的、附着性很强的氧化铝。但是，现在使用的很多高强度高温合金不能形成保护性足够强的氧化层，因为其成分要求是使合金具有其他性能，比如高温强度和组织稳定性，不允许其自身具有非常好的抗氧化/腐蚀性能。因此，现在的大多数高温合金必须通过特殊的涂层来获得优良的抗氧化性能。
当零件的使用温度超过材料固有的抗氧化能力时，使用高温涂层。在过去的20年高温涂层领域有了一定程度的发展。成果是涂层的抗长期热腐蚀以及高温氧化能力显著提高。GE公司现在的重型燃机涂层在各种腐蚀和氧化条件的寿命是第一代涂层的10～20倍。
GE公司在过去25年使用两种基本类型的涂层。第一种类型是扩散型涂层，称为铝化铂（PtAl）涂层。第二种类型是覆盖型涂层，比如PLASMAGUARDTM GT-29 IN-PLUSTM。这两种涂层系列的发展都是为满足现场需要。铝化铂最初为重型燃机涂层，主要为解决1960年代舰船中大量零件出现的腐蚀问题而产生的。当时，涂层使In-738叶片的腐蚀寿命
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提高了一倍。PLASMAGUARDTM GT-29涂层又使抗腐蚀性能提高了50%。最新的PLASMAGUARDTM GT-29 IN-PLUSTM涂层具有更好的抗热腐蚀性能，同时也具有更好的抗氧化性能，这正是最新级别燃机所要求的。PLASMAGUARDTM GT-29 IN-PLUSTM为双层涂层，第一层涂层也适用于叶片的内表面。就在最近，研发了GT-33 IN-COATTM和IN-PLUSTM涂层，用于更高进气温度燃机（比如7FA和9FA燃机）的第1级叶片。该涂层的抗高温氧化性能甚至优于GT-29 IN-PLUSTM。
图15给出了第1级叶片涂层的比较，每一种类型的涂层在下面部分给出更详细的讲述。
图15 各类型涂层防腐蚀性能的比较
4.3 铝化铂涂层
自从1970年代后期以来，所有第1级叶片均使用了涂层。直到1983年中期，GE公司用在大多数第1级叶片上的涂层均是铝化铂扩散涂层。从众多铝化物涂层中选择这种涂层，是因为它在燃烧室试验（burner test rigs） 和现场试验（field trials）中均具有非常优秀的抗腐蚀性能。铝化铂涂层是在叶片的叶身表面均匀电镀一层薄薄（0.006mm）的铂层，然后通过扩散方式沉积铝。这就产生一层镍-铝化铂涂层，其中固溶着铂，或在表面附近呈现一种PtAl2相。
涂层中的铂增加了铝的活性，使表面形成一层保护性和附着性非常强的Al2O3氧化皮。图16给出了彩虹试验——使用PtAl涂层和未涂层IN-738叶片的腐蚀对比试验，在腐蚀条件下在相同的燃气轮机中并行运行。运行2.5万小时后，拆下两个叶片进行间歇评价。该机组燃烧约含3.5%硫的酸性天然气，其所在区域的土壤含钠量达3%。大多数未涂层的In-738叶片表面有0.25~0.4mm的渗透腐蚀。经涂层的叶片通常不会出现基体金属的热腐蚀破坏，只是一些叶片区域的涂层会变薄。经涂层的叶片只有在进气边非常小的区域出现涂层破坏，涂层仅剩0.025~0.05mm厚。
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图16 涂层和未涂层的IN-738第1级透平叶片服役25000小时后的照片
4.4 PLASMAGUARDTM 涂层
GE最新研发并具有专利的PLASMAGUARDTM 涂层是现在GE公司的第1级叶片标准涂层——GT-29 PLUSTM和GT-33 PLUSTM用于实心叶片，GT-29 IN-PLUSTM和GT-33 IN-PLUSTM用于冷却或空心可转叶片（vaned bucket）。
PLASMAGUARDTM 涂层是覆盖涂层，在某一个方面与扩散涂层（比如铂-铝涂层）不同。扩散涂层中至少一个主要元素（通常是镍）是来自基体金属。而覆盖涂层的所有组成元素都来自其自身。覆盖涂层的优点是可以使用更多不同的抗腐蚀成分，因为成分不受基体金属成分限制，而且也不受工艺要求的厚度限制。
PLASMAGUARDTM 涂层采用真空等离子喷涂（VPS）工艺，并采用特殊设计的设备以可控的方式均匀的应用在GE公司的燃机叶片上。采用这种工艺，要求的粉末粒子会通过等离子喷射方式加速，其速度大于通过大气等离子喷射方法获得的速度。见图17。粉末在叶身（airfoil）表面的凝固产生结合力非常强的涂层，其结合力远强于采用传统大气等离子喷射沉积获得的涂层，因此它的粒子速度更高，基体更干净、更热。而且采用VPS工艺可以获得密度更高、致密性更好的涂层。
图17 经PLASMAGUARDTM GT-20涂层的叶片（shroud）
第一台产品VPS设备于1980年代早期安装在斯克内克塔迪。南卡罗来纳州的格林威尔燃气轮机工厂安装了更新、能力更强、自动化程度更高的VPS设备。见图18。该设备可以对后几级叶片喷涂PLASMAGUARDTM涂层，并可以对使用过的叶片进行翻修。
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