Navorsingsvoortgang en ontwikkelingstrend van swaar gasroere en hul termiese barrièrbeskrywings (2)

Termiese barrièrelaag

Navorsingsonderslag van termiese barrièrelaaie

Aangesien die suksesvolle ontwikkeling van die eerste gas turbine in 1920, het die gas turbine altyd 'n sentrale rol gespeel in die veld van stroomvoortbring en aandrywing. Daarnaast, met die ontwikkeling van industriële tegnologie, verbeter die tegnologiese vlak van swaar gas turbines voortdurend, en hoe om die doeltreffendheid van swaar gas turbines te verbeter word al meer dringend. Die turbineblaar is een van die belangrike komponente van die swaar gas turbine brandstelsel. Deur die turbine invoertemperatuur te verhoog, kan dit effektief die doeltreffendheid van swaar gas turbines verbeter. Dus, kan toepaslike navysers werk teenoor die verhoging van die temperatuur van die turbine invoer. Om die toenemende vraag na bedryfstemperatuur van toekomstige doeltreffende gas turbines te voldoen, word termiese barrièrelaaie gewoonlik gespuit op die oppervlak van warmkomponente.

In 1953 is die konsep van termiese barrièrekoue vir die eerste keer deur die NASA-Lewis Navorsingsinstituut in die Verenigde State voorgestel [13], dit wil sê, keramiese koue word op die oppervlak van komponente wat in 'n hoëtemperatuuromgewing werk, deur middel van termiese spuittegnologie aangebring om warmteisolering en beskerming te verskaf, die temperatuur van die blaaroppervlak te verlaag, die brandstofverbruik van die motor te verminder en die dienstyd van die blaar te verleng. Termiese barrièrekoue word wydverspreid in die heetkomponente van industriële gas turbines en lughartmotors (turbineblare en brandkamers ens.) gebruik weens hul uitstekende eienskappe soos lae voorbereidingskoste en goeie termiese isoleringsbeskerming, en word internasionaal as 'n snipertegnologie vir swaar gas turbine vervaardiging erken.

Sisteemstruktur van termiese barrièrekoue

• Met die vordering en ontwikkeling van wetenskap en tegnologie word die invoertemperatuur van gasroere hoeër en hoeër. Om 'n beter thermiese isolasie-efek van termiese barrièrlaag te bereik, fokus die meeste studies oor die wêreld op die ontwerp van die struktuur van die termiese barrièrlaag, wat genoeg bewys vir die belangrikheid van die struktuur van die termiese barrièrlaag [14]. Volgens die verskillende strukture van lae kan dit onderverdeel word in dubbel-laag, veellaaier en gradiënt-struktuur [15].
• Daaronder is die dubbel-laag termiese barrièrskikking, wat uit 'n keramieklaag en 'n bindlaag bestaan, as die eenvoudigste en meer volwasse termiese barrièrskikking in al die skikkingsstrukture, wydverspreid in terme van toepassing in termiese barrièrskikkingstegnologie gebruik. Daaronder word die wydverspreidste dubbel-laagskikkingstruktuur met 'n 6 wt.% ~ 8 wt.% jodiumgestabiliseerde sirkonia (6-8YSZ) as die buitekeramieklagaan materiaal gebruik, en MCrAlY (M=Ni, Co, Ni+Co, ens.) alloys as die metaalbindlagsmateriaal [16]. Dog, weens die wanpas van die termiese uitbreidingskoëffisiënt van die keramieklaag en die metaalbindlaag, is dit maklik vir spanning in die skikking te ontstaan en laat die skikking vroeg tydens afval.
• Om die prestasie van die termiese barrièrskilding te verbeter, het die navorsers 'n veellagstruktuurtermiese barrièrskilding met 'n relatief komplekse struktuur (samegestelde skilding) voorberei, dit wil sê, verskeie isolerings- en barrièrlae word bygevoeg op grond van die dubbel-lagstruktuurtermiese barrièrskilding, gewoonlik vyf lae. Daaronder sluit die mees bestudeerde barrièrlae hoofsaaklik Al2O3, NiAl, ens. [17]. FENG en sy span [18] het APS gebruik om YSZ-termiese barrièrskilding en LZ/YSZ-termiese barrièrskilding (La2Zr2O7 / ZrO2-Y2O3-dubbele keramieselaagtermiese barrièrskilding) voor te berei, en het laserherstippingstegnologie gebruik om die skildingsoppervlak te herstip, waarna hoëtemperatuuroksidasietoetse by 1 100℃ uitgevoer is. Die resultate wys dat, in vergelyking met YSZ-termiese barrièrskilding, LZ/YSZ-dubbele keramies-termiese barrièrskilding beter oksidasieweerstand bied. Hoewel die prestasie van veellagtermiese barrièrskilding beter is as dié van dubbel-lagtermiese barrièrskilding, is sy struktuur en voorbereidingsproses meer kompleks, en haar warmteskokweerstand is swak, so is haar praktiese toepassing beperk. Daarom kom die gradiëntstruktuurtermiese barrièrskilding tot stand.
• Die gradiëntstruktuur termiese barrièrskeding word gekenmerk deur die kontinuële gradiëntverandering van samestelling en struktuur langs die rigting van skedingdikte, wat lei tot 'n onduidelike interlaagkant. In vergelyking met dubbel-laag en veerlaagsstrukture, het die gradiëntstruktuur termiese barrièrskeding nie net uitstekende termiese schokweerstand nie, maar toon ook kontinuë gradiëntverandering in prestasie, so dat dit termiese spanningsoptelingeigenskappe het en kan gebruik word in strenge hoëtemperatuur-omgewings. Die hoof termiespraei-tegnologieë van funksioneel gegradeerde termiese barrièrskedings is deur Meneer hersien. Alhoewel daar verskeie voorbereidingsmetodes is, is die gradiëntstruktuur termiese barrièrskeding in praktyk sleg weens sy komplekse voorbereidingsproses, moeilik te beheer strukturele komponente en hoë koste.
• In samenvatting, word die dubbel-laag termiese barrièrskild wydverspreid gebruik en is die proses volwassen, en dit is steeds die voorkeurstruktuurvorm van termiese barrièrskilings. Die keramieke laag en die bindingslaag [20] word op die legeringmatrix afgepot deur termiesprae-tekensie. Onder hoëtemperatuuroksidasieomstandighede word 'n dun laag van okside wat deur warmte gegroei het, gevorm op die oppervlak van die bindingslaag na oksidasie, soos in Figuur 1 getoon. Hiervan is die legeringmatrix 'n komponent wat beskerm word deur die termieskild, wat 'n rol kan speel in die draag van buitekantemeganiese belastings, en waarvan die materiaal hoofsaaklik hoëtemperatuurweerstandige nikkelbasislegeringe met oksidasieweerstand is. Die funksie van die bindingslaag is om die bindingkrag tussen die keramieke laag en die legeringmatrix te versterk, die dikte is gewoonlik 50 ~ 150 µm, en die materiaal word gewoonlik gekies as MCrAlY (M=Ni/Co/Ni+Co), wat 'n klein verskil in die termiese uitbreidingskoëffisiënt van die legeringmatrix het. Termiese groeioxide (TGO) is hoofsaaklik 'n soort α-Al2O3-dunfilm wat onder hoëtemperatuuroksidasieomstandighede tussen die keramieke laag en die bindingslaag gevorm word, met 'n dikte van 1 ~ 10 µm, wat 'n groot invloed op die skild het. Die keramieke laag het die funksies van warmteisolering, korrosieweerstand en impakweerstand [21], die dikte is gewoonlik 100 ~ 400 μm, en die materiaal is hoofsaaklik 6-8YSZ met lae termiekondusiwiteit en relatief hoë termiese uitbreidingskoëffisiënt [22].

Materiale van termiese barrièrlaag

Die invoertemperatuur van die turbinblaaier is nou verband met sy werksdoeltreffendheid. Net deur die invoertemperatuur van die turbinblaaier te verhoog, kan die werksdoeltreffendheid verbeter word. Maar, met die ontwikkeling van wetenskap en tegnologie en die bedryf, steeg die werktemperatuur van die warme kant onderdele van swaar gasroere steeds, en die limiettemperatuur van die nikkel-gebaseerde allias turbinblaaier is 1150℃, wat nie langer by hoër temperature kan werk nie. Daarom is dit spesiaal dringend om warmteskermingsmateriaal met uitstekende eienskappe te vind en te ontwikkel. Onder hulle, omdat die diensvoorwaardes van warmteskermingsbedekking baie sleg is, is die seleksievoorwaardes van warmteskermingsmateriaal strenger in die werklike proses. Keramieklagmateriaal word gewoonlik vereis om lae termiese geleiheid en hoë smeltpunt te hê, en is nie maklik geneig om faseverandering te ondergaan in die reeks van ruimtetemperatuur tot dienstetemperatuur nie, en het ook hoë termiese uitbreidingskoëffisiënt, uitstaande termiese skokweerstand, sintersweerstand en korrosieweerstand nodig [24]. Die bindlagmateriaal word vereis om korrosieweerstand, oksidasieweerstand, goeie bindingsterkte en ander eienskappe te hê [25-26].

Materiaal van keramiese laag

Die swaar bedieningsomstandighede van die warmteskermverligting beperk die keuse van materiaalle. Tans is die warmteskermverligtingsmateriaalle wat geskik is vir praktiese toepassing baie beperk, hoofsaaklik YSZ-materiaalle en YSZ-materiaalle met seldroomoxide-doping.

(1) zirkonia gestabiliseer met yttriumoxide

Tans, onder keramiese materiaalle, onderskei ZrO2 homself deur sy hoë smeltpunt, lae termiese geleiheid, hoë koëffisiënt van termiese uitbreiding en goeie breuktoughness. Egter, suiwer ZrO2 het drie kristalvorms: monokliëne (m) fase, kubiese (c) fase en tetragonale (t) fase, en suiwer ZrO2 is geneig om faseomsette te ondergaan, wat lei tot volumeverandering, wat negatiewe effekte op die bedekingslewe het. Daarom word ZrO2 dikwels met stabiliseerders soos Y2O3, CaO, MgO en Sc2O3 gedop om sy fasestabiliteit te verbeter. Van hulle, 8YSZ het die beste prestasie, dit het genoegsame hartheid (~ 14 GPa), lae digtheid (~ 6.4 Mg·m-3), lae termiese geleiheid (~ 2.3 W·m-1 ·K-1 by 1 000℃), hoë smeltpunt (~ 2 700℃), hoë koëffisiënt van termiese uitbreiding (1.1×10-5 K-1) en ander uitstekende eienskappe. Daarom word dit as 'n keramiese laagmateriaal wydverspreid in termiese barrièrbestryke gebruik.

(2) Seldome aarde okside gedop YSZ

Wanneer YSZ oor 'n lang tydperk in 'n omgewing bo 1 200 °C werk, kom fase-oorgange en sintersing gewoonlik voor. Aan die een kant word die nie-equilibriume tetragonale fase t' verander in 'n mengsel van die kubiese fase c en die tetragonale fase t, en tydens koeling word t' verander in die monokline fase m, en die fase-oorgang gebeur voortdurend saam met die volume-verandering, wat lei tot vinnige afskeiding van die bedekking [27]. Aan die ander kant verminder sintersing die porusiteit in die bedekking, wat die termiese isolasieprestasie en spanning-verdraagsaamheid van die bedekking verminder, terwyl dit die hardheid en elastiese modulus verhoog, wat grootliks die prestasie en lewe van die bedekking beïnvloed. Daarom kan YSZ nie op die volgende generasie swaar gasstroombullems toegepas word nie.

Algemeen gesproke kan die prestasie van YSZ verbeter word deur die tipe stabiliseerder van sirkonia te verander of te verhoog, soos die metode van doping van YSZ met seldsame aarde okside [28-30]. Daar is gevind dat hoe groter die radiusverskil tussen Zr ions en gedopede ions is, hoe hoër die defektkonsentrasie, wat fonon verspreiding kan verbeter en termiese geleiendheid kan verminder [31]. CHEN et al. [32] het APS gebruik om 'n termiese barrièrelaagkeramieklaag (LGYYSZ) voor te berei wat La2O3, Yb2O3 en Gd2O3 saamgedope YSZ bevat, en die termiese uitbreidingskoëffisiënt en termiese geleiendheid van die termiese barrièrelaag deur meting en berekening verkry, en 'n termiese siklus toets by 1 400℃ uitgevoer. Die resultate wys dat in vergelyking met YSZ laag, het die LGYYSZ laag lager termiese geleiendheid, langer termiese sikle lewe en goeie fase stabiliteit by 1 500℃. Li Jia et al. [33] het Gd2O3 en Yb2O3 saamgedope YSZ poeder deur 'n chemiese gemeenskaplike nedersettingsmetode voorberei en Gd2O3 en Yb2O3 saamgedope YSZ laag deur APS voorberei, en die invloed van verskillende oksied dopinghoeveelhede op die fase stabiliteit van die laag bestudeer. Die resultate wys dat die fase stabiliteit van Gd2O3 en Yb2O3 saamgedope YSZ laag beter is as dié van tradisionele 8YSZ laag. Die fase m fase is minder ná hoë temperatuurverwaringsbehandeling wanneer die dopinghoeveelheid laag is, en die stabiele kubus fase word voortgebring wanneer die dopinghoeveelheid hoog is.

In vergelyking met die tradisionele YSZ, het die nuut gewysigde YSZ keramiese materiaal 'n lagere termiese geleiheid, wat die warmteskermverligting beter thermale isolasieprestasie gee en 'n belangrike grondslag verskaf vir die navorsing van hoë-prestasie warmteskermverligting. Tradisionele YSZ se omvattende prestasie is egter goed en word wydverspreid gebruik, en kan deur geen gewysigde YSZ vervang word nie.

Bindlaagmateriaal

Die bindingelaag is baie belangrik in die termiese barrièrlaag. Boonop kan die keramieke laag nou aan die legeringsmatriks gebond word, en kan die interne spanning wat deur die verskil in termiese uitbreidingskoëffisiënt in die laag veroorsaak word, verminder word. Boonop kan die termiese korrosieweerstand en oksidasieweerstand van die hele laagsisteem verbeter word deur 'n dige oksidgefilm te vorm op hoë temperatuur, wat daardeur die lewe van die termiese barrièrlaag verleng. Tans word die materiaal wat gebruik word vir die bindingelaag gewoonlik MCrAlY-legering (M is Ni, Co of Ni+Co, afhanklik van die gebruik). Daaronder word NiCoCrAlY wydverspreid in swaar gasroere gebruik weens sy goeie algehele eienskappe soos oksidasieweerstand en korrosieweerstand. In die MCrAlY-stelsel word Ni en Co as matriks-elemente gebruik. Weens die goeie oksidasieweerstand van Ni en die goeie moeiteweerstand van Co, is die algehele eienskappe van Ni+Co (soos oksidasieweerstand en korrosieweerstand) goed. Terwyl Cr gebruik word om die korrosieweerstand van die laag te verbeter, kan Al die oksidasieweerstand van die laag verhoog, en Y kan die korrosieweerstand en termieske skokweerstand van die laag verbeter.

Die prestasie van die MCrAlY-stelsel is uitstekend, maar dit kan slegs vir werk onder 1 100℃ gebruik word. Om die bedieningstemperatuur te verhoog, het die betrokke vervaardigers en navorsers baie navorsing gedoen oor die modifikasie van MCrAlY-bedekking. Byvoorbeeld, dop ander legerings-elemente soos W, Ta, Hf en Zr [34] om die prestasie van die bindinglaag te verbeter. YU et al. [35] gespuit 'n warmteskermbedekking wat bestaan uit 'n Pt gemoedigde NiCoCrAlY-bindinglaag en nanostruktureerde 4 gewig.% jood-gestabiliseerde sirkoonia (4YSZ) keramieklaag op die tweede generasie nikkelgebaseerde superlegaai. Die termiese siklusterme van NiCoCrAlY-4YSZ-warmteskermbedekking in lug en die effek van Pt op die vorming en oxidasiemededinging van TGO is ondersoek by 1 100℃. Die resultate wys dat, in vergelyking met Nicocraly-4YSZ, die modifikasie van NiCoCrAlY deur Pt gunstig is vir die vorming van α-Al2O3 en die verlaging van die groei tempo van TGO, wat daartoe lei dat die lewe van die warmteskermbedekking verleng word. GHADAMI et al. [36] voorberei NiCoCrAlY-nanokomposietbedekking deur supersoniese vlamspuiting met nanoCEO2. Die NiCoCrAlY-nanokomposietbedekkings met 0.5, 1 en 2 gewig.% nanoCEO2 is vergelyk met die konvensionele NiCoCrAlY-bedekkings. Die resultate wys dat NICocRALy-1 gewig.% nano-CEO2-komposietbedekking beter oxidasiemededinging, hoër hartheid en lager porusiteit het as ander konvensionele NiCoCrAlY-bedekkings en NiCoCrAlY nano-komposietbedekkings.

Tans kan, behalwe die MCrAlY-stelsel wat op die bindingslaag toegepas kan word, NiAl ook 'n sleutelingrediënt van die bindingslaagmateriaal wees. NiAl bestaan hoofsaaklik uit β-NiAl, wat by temperature hoër as 1 200℃ 'n kontinu, dige oksidafilm op die koatingoppervlak vorm, en dit word beskou as die mees potensiële kandidaatmateriaal vir 'n nuwe generasie metaalbindingslae. In vergelyking met MCrAlY en tradisionele β-NiAl-koatings het PT-gemodifiseerde β-NiAl-koatings beter oxidatiestandvastigheid en korrosiestandvastigheid. Tog het die oksidafilm wat by hoë temperature gevorm word, swak hegtegheid, wat die lewe van die koating asemmering sal verkort. Daarom het navorsers dopingmodifikasie-ondersoeke op NiAl gedoen om sy prestasie te verbeter. Yang Yingfei et al. [37] het 'n NiCrAlY-koating, 'n NiAl-koating, 'n PT-gemodifiseerde NiAl-koating en 'n Pt+Hf gemengde NiAl-koating voorberei en die oxidatiestandvastigheid van hierdie vier koatings by 1 100℃ vergelyk. Die finale resultate wys dat die Pt+Hf gemengde NiAl-koating die beste oxidatiestandvastigheid het. Qiu Lin [38] het NiAl-blokalegasies met verskillende Al-inhoud en β-NiAl-blokalegasies met verskillende Hf/Zr-inhoud deur vakuumboogsmelting voorberei en die effek van Al, Hf en Zr op die oxidatiestandvastigheid van NiAl-alegasie ondersoek. Die resultate wys dat die oxidatiestandvastigheid van NiAl-alegasie toeneem met die toename van Al-inhoud, en die voeging van Hf/Zr in β-NiAl-alegasie is nuttig om die oxidatiestandvastigheid te verbeter, en die optimale dopinghoeveelhede was 0.1 at.% en 0.3 at.%, onderskeidelik. LI et al. [39] het 'n nuwe seldome-aarde gemodifiseerde β- (Ni, Pt) Al-koating op 'n Mo-vry Ni2Al-gebaseerde superalegasie deur elektrodepotisie en lae aktiwiteit aluminiumtegnologie voorberei en die seldome-aarde gemodifiseerde β- (Ni, Pt) Al-koating met die tradisionele β- (Ni, Pt) Al-koating vergelyk. Isotermiese oxidatiegedrag van Pt) Al-koating by 1 100℃. Die resultate wys dat seldome-aarde elemente die oxidatiestandvastigheid van die koating kan verbeter.

In samenvatting, het MCrAlY- en NiAl-deklaeër hul eie voordele en nadele, sodat navorsers voortgaan om aanpassings te bestudeer op grondslag van hierdie twee dekmateriaalle, kykend na die ontwikkeling van nuwe metaalbindinglagenmateriaal, sodat die bedieningstemperatuur van die warmteskermdeklaeër vir swaar gasroere hoër kan wees.