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      航天/能源

      預計到2035年航天與能源領域在熱噴涂工業中占60%以上,其中又以熱障涂層最為重要,熱障涂層主要由兩個涂層組合而成,分別為鍵結層(Bond Coating)和頂層(Top Coating)。而這兩種涂層所使用的熱噴涂工藝也不相同,以鍵結層而言,目前常見的工藝有低壓等離子噴涂(LPPS)、高壓高速火焰(HVOF、HVAF)以及目前較新的技術冷氣動力噴涂(Cold Spray)。以上三種工藝各有其優缺點,但最終目標都是為了追求涂層的低孔隙率、低氧化物含量與高鍵結強度。在鍵結層中所使用的材料為MCrAlY(M= Ni, Co, NiCo, CoNi),此材料在高溫有較佳的抗熱腐蝕的能力,并且與頂層材料有良好的親和性。在頂層的工藝中目前主流為使用大氣等離子噴涂(APS),近幾年有相當多的國內外科研單位與制造商使用大氣漿料等離子噴涂(ASPS)來進行頂層的制作,電子束-物理氣相沉積法(EB-PVD)技術相比,采用ASPS技術可以大幅降低生產成本,提高生產效率,且使用此工藝可以得到類似于(EB-PVD)的柱狀結構。而在頂層所使用的材料為8 mol%氧化釔安定氧化鋯(8YSZ),該材料的特色為低熱傳導系數與價格便宜。


      但近年來由于燃氣輪效率的提升,以及嚴重的空氣污染,造成現有的涂層壽命縮短,許多設備商與材料供應商提出新的解決方案來延長共建壽命,以熱障涂層的新材料來說,除了漿料的技術在快速發展以外(目前商用漿料搭配Mettech Axial III可以將堆積效率提升至60%以上,涂層孔隙率在1%以下,可形成柱狀結構),新材料的開發也得到突破性的進展,有廠商開發出低密度8YSZ粉末使涂層的熱傳導系數更低,延長工件的壽命。其他的材料像是氧化鋯參雜釓(GDZ)和高氧化釔含量的YSZ粉末,這些材料對于抵抗CMAS(鈣鎂鋁矽酸鹽類)有極佳的效果,可有效提升涂層的壽命。



      應用領域: 發動機熱障涂層

      使用材料: MCrAlY, YSZ

      使用制程:鍵結層: 高壓高速火焰, 冷氣動力噴涂

                        頂層 :大氣等離子噴涂, 漿料等離子噴涂

      涂層應用:熱障涂層


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                                                                       利用大氣漿料等離子噴涂法所制備的渦輪葉片剖面圖,傳統大氣等離子噴涂所制備的熱障涂層其鍵結強度約在20-40 Mpa,熱傳導系數在0.9-1.5 W/mK,而使用大氣漿料等離子噴涂所制備的熱障涂層圖可以將鍵結強度提升至50-82 Mpa,熱傳導系數在1-2 W/mK。


      其他在航天領域的應用像是可磨耗密封涂層與耐磨耗涂層,而可磨耗密封涂層是指壓縮氣體在旋轉工件(渦輪葉片)與渦輪機內壁之間提供理想的流動間隙,其主要用于航空的壓縮機、渦輪的間隙控制,達到提高整機效率、降低耗能、延長使用壽命的目的。耐磨耗涂層材料有、Al2O3/TiO2、WC/Co、Cr2O3/NiCr、Cr2O3,陶瓷材料主要使用大氣等離子噴涂,金屬碳化物材料則使用高壓高速火焰噴涂,氧乙炔火焰噴涂則制備鎳基或鈷基自熔性涂層

      材料

      工藝

      適用溫度

      Al-Si-石墨

      APS、火焰

      400

      Ni-石墨

      APS、火焰

      550

      Ni-Cr-Fe-Al-氮化硼

      APS、火焰

      800

      Ni-Cr-硅藻土

      APS、火焰

      850

      Ni-Cr-Al-硅藻土

      APS、火焰

      1000



      此為陸地用渦輪機的回熱段葉片,使用碳化鉻-鎳鉻材料噴涂在葉片刄部。原始設計是在刃部加上一層稱為EPRI的涂層。EPRI是一種鈷鎳鉻鋁釔系列的超合金材料,以熱處理擴散滲透方式將EPRI與底材產生冶金式鍵結。通常滲透層會深入底材約150microns。在這種滲透深度下,無法在不嚴重破壞底材的條件下對工件進行徹底噴砂。之所以采用EPRI的原因,是因為在渦輪機運轉產生的高溫下,EPRI表層會生成一層堅韌的氧化皮膜,藉以抵抗熱沖蝕。

      同樣的狀況也發生在熱噴涂制程時。在噴涂過程中刃部的溫度會上升,導致同樣的堅硬氧化皮膜生成,而這層皮膜會使涂層無法堆棧??蛻粼鴩L試過傳統HVOF但無法克服此一問題。它會讓溫度上升太快,引致氧化皮膜很快就生成。但使用JP-8000卻能有效克服該問題主要原因為顆粒的飛行速度快,噴涂距離也較一般高壓高速火焰噴涂來的遠,可以大幅降低基材溫度。



      應用領域:渦輪機回熱段葉片

      應用材料:鈷鎳鉻鋁釔超合金

      使用工藝:HVOF

      涂層應用:耐磨耗


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