تقدم البحث واتجاهات التطوير للمراوح الغازية الثقيلة وطلاء الحواجز الحرارية الخاصة بها (2)

طلاء الحواجز الحرارية

خلفية البحث حول طلاء الحواجز الحرارية

منذ النجاح في تطوير أول توربين غازي في عام 1920، لعب التوربين الغازي دائمًا دورًا محوريًا في مجال توليد الكهرباء والدفع. بالإضافة إلى ذلك، مع تطور تقنية الصناعة، يتحسن المستوى التقني للتوربينات الغازية الثقيلة باستمرار، وكيفية تحسين كفاءة التوربينات الغازية الثقيلة تصبح أكثر إلحاحًا. يعتبر شفرة التوربين واحدة من المكونات الرئيسية لنظام الاحتراق في التوربينات الغازية الثقيلة. يمكن رفع درجة حرارة مدخل التوربين بشكل فعال لتحسين كفاءة التوربينات الغازية الثقيلة. لذلك، يمكن للمستعرضين المعنين العمل على زيادة درجة حرارة مدخل التوربين. من أجل تلبية الطلب المتزايد على درجة التشغيل المرتفعة للتوربينات الغازية الفعالة في المستقبل، يتم عادةً رش طلاء الحواجز الحرارية على سطح المكونات الساخنة.

في عام 1953، تم اقتراح مفهوم طلاء الحواجز الحرارية لأول مرة من قبل معهد ناسا لويس للأبحاث في الولايات المتحدة [13]، أي أن الطلاء السيراميك يُرش على سطح الأجزاء التي تعمل في بيئة ذات درجة حرارة عالية باستخدام تقنية الرش الحراري، وذلك لتقديم عزل حراري وحماية، وتقليل درجة حرارة سطح الشفرة، وتقليل استهلاك الوقود للمحرك، وزيادة عمر الشفرة الافتراضي. وقد تم استخدام طلاء الحاجز الحراري بشكل واسع في المكونات الساخنة لأنابيب الغاز الصناعية والمحركات النفاثة (شفرات التوربين والغرف الاحتراق، وما إلى ذلك) بسبب خصائصه الممتازة مثل تكلفة الإعداد المنخفضة والحماية العازلة الحرارية الجيدة، وهو ما يُعتبر تقنية متقدمة دوليًا لتصنيع أنابيب الغاز الثقيلة.

هيكل نظام طلاء الحاجز الحراري

• مع التقدم والتطور في العلوم والتكنولوجيا، يزداد درجة حرارة مدخل turbinات الغاز بشكل متزايد. من أجل تحقيق تأثير عزل حراري أفضل للطلاء الحائل الحراري، تركز معظم الدراسات حول العالم على تصميم هيكل الطلاء الحائل الحراري، وهو ما يكفي لإظهار أهمية بنية الطلاء الحائل الحراري [14]. وفقًا لهيكل الطلاء المختلف، يمكن تقسيمه إلى طبقتين، متعدد الطبقات، وبنية تدرجية [15].
• من بينها، يُعتبر التغليف الحراري ذو الطبقة المزدوجة والمكون من طبقة سيراميك وطبقة ربط، باعتباره أبسط وأكثر التغطيات الحرارية نضجًا بين جميع هياكل الطلاء، قد تم استخدامه على نطاق واسع في تقنية التغليف الحراري. ومن بينها، فإن أكثر التغطيات الحرارية ذات الهيكل ثنائي الطبقات استخدامًا تعتمد على أكسيد الزركونيوم المستقر باليتريوم بنسبة 6٪ إلى 8٪ كت (6-8YSZ) كمادة للطبقة السيراميكية الخارجية، وعلى سبيكة MCrAlY (حيث M = Ni، Co، Ni+Co، إلخ) كمادة لطبقة الربط المعدنية [16]. ومع ذلك، بسبب عدم توافق معامل التمدد الحراري بين الطبقة السيراميكية والطبقة المعدنية المرتبطة، فمن السهل أن تنشأ الإجهادات في الطلاء مما يؤدي إلى تساقط المغلف مبكرًا.
• من أجل تحسين أداء طبقة الحماية الحرارية، أعد الباحثون طبقة حماية حرارية ذات بنية متعددة الطبقات وبنيان معقد نسبيًا (الطلاء المركب)، أي أنه تم إضافة عدة طبقات عازلة وطبقات حاجز على أساس البنية الثنائية لطبقة الحماية الحرارية، وعادة ما تكون خمس طبقات. من بينها، فإن الطبقات الحائلة الأكثر دراسة تشمل بشكل أساسي Al2O3 وNiAl وما إلى ذلك [17]. استخدم FENG وآخرون [18] تقنية APS لإعداد طبقة حماية حرارية YSZ وطبقة حماية حرارية LZ/YSZ (طبقة ثنائية سيراميكية مكونة من La2Zr2O7 / ZrO2-Y2O3 كطبقة حماية حرارية)، واستخدموا تقنية إعادة الذوبان بالليزر لإعادة ذوبان سطح الطلاء، ثم قاموا باختبار الأكسدة عند درجة حرارة 1100℃. تشير النتائج إلى أن طبقة الحماية الحرارية السيراميكية الثنائية LZ/YSZ لديها مقاومة أفضل للأكسدة مقارنة بطبقة الحماية الحرارية YSZ. وعلى الرغم من أن أداء الطبقة الحرارية المتعددة الطبقات أفضل من الطبقة الثنائية، إلا أن بنيتها وعملية الإعداد الخاصة بها أكثر تعقيدًا، كما أن مقاومتها للصدمات الحرارية ضعيفة، مما يحد من استخدامها في التطبيقات العملية. لذلك، ظهرت طبقة الحماية الحرارية ذات البنية التدرجية.
• يتميز طلاء الحواجز الحرارية ذات البنية التدرجية بتغير تدريجي مستمر في التركيب والبنية على طول اتجاه سماكة الطلاء، مما يؤدي إلى غموض في واجهة الطبقة الوسيطة. مقارنةً بالهياكل الثنائية أو متعددة الطبقات، فإن طلاء الحاجز الحراري ذو البنية التدرّجية يتمتع ليس فقط بمقاومة استثنائية للصدمات الحرارية، ولكنه يظهر أيضًا تغييرًا تدريجيًا مستمرًا في الأداء، وبالتالي لديه خصائص تخفيف الإجهاد الحراري ويمكن استخدامه في البيئة العالية الحرارة القاسية. قام السيد بمراجعة التقنيات الرئيسية للرش الحراري لطلاء الحواجز الحرارية ذات الدرجة الوظيفية. وعلى الرغم من وجود العديد من طرق الإعداد، إلا أن طلاء الحاجز الحراري ذا البنية التدرّجية غير عملي بسبب عملية الإعداد المعقدة، صعوبة السيطرة على المكونات الهيكلية والتكلفة العالية.
• بالمجملة، يتم استخدام طبقة الحماية الحرارية ذات الطبقة المزدوجة بشكل واسع والعملية ناضجة وهي لا تزال الشكل الهيكلي المفضل لطبقة الحماية الحرارية. يتم إيداع الطبقة السيراميكية والطبقة اللاصقة [20] على مصفوفة السبيكة باستخدام تقنية الرش الحراري. تحت ظروف الأكسدة العالية درجة الحرارة، يتم تكوين طبقة رقيقة من أكسيد النمو الحراري على سطح الطبقة اللاصقة بعد الأكسدة، كما هو موضح في الشكل 1. من بينها، تكون مصفوفة السبيكة جزءًا محميًا بواسطة طبقة الحماية الحرارية ويمكن أن تلعب دورًا في تحمل الأحمال الميكانيكية الخارجية، ويكون المادة المستخدمة عادة سبيكة النيكل القائمة التي تتمتع بمقاومة درجات الحرارة العالية والأكسدة. دور الطبقة اللاصقة هو تعزيز القوة الالتصاق بين الطبقة السيراميكية ومصفوفة السبيكة، سمكها عادةً ما يتراوح بين 50 إلى 150 ميكرومترًا، والمادة المستخدمة غالبًا ما تكون MCrAlY (M = Ni/Co/Ni+Co)، والتي لديها فرق صغير في معامل تمدد السبيكة الحراري. الأكسيد النامي بالحرارة (TGO) هو نوع من غشاء α-Al2O3 الذي يتشكل بين الطبقة السيراميكية والطبقة اللاصقة في بيئة الأكسدة العالية درجة الحرارة، سمكه يتراوح بين 1 إلى 10 ميكرومترات، وهو له تأثير كبير على الطبقة. للطبقة السيراميكية وظائف العزل الحراري، مقاومة التآكل، ومقاومة الصدمات [21]، السمك عادة ما يتراوح بين 100 إلى 400 ميكرومتر، والمادة الرئيسية هي 6-8YSZ ذات التوصيل الحراري المنخفض ومعامل التمدد الحراري العالي نسبيًا [22].

مواد طلاء الحواجز الحرارية

درجة حرارة المدخل لشفرة التوربين مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بكفاءة عملها. فقط عن طريق رفع درجة حرارة المدخل لشفرة التوربين يمكن تحسين الكفاءة التشغيلية. ومع ذلك، مع تطور العلوم والتكنولوجيا والصناعة، لا تزال درجة الحرارة التشغيلية للأجزاء الساخنة في التوربينات الغازية الثقيلة تزداد، بينما درجة الحرارة القصوى لشفرة التوربين ذات السبائك النيكليوم هي 1150℃، ولا يمكنها العمل بدرجات حرارة أعلى. لذلك، من الضروري بشكل خاص البحث واكتشاف مواد طلاء حواجز حرارية ذات خصائص ممتازة. ومن بينها، بسبب ظروف التشغيل السيئة لطلاء الحواجز الحرارية، تكون شروط اختيار مواد طلاء الحواجز الحرارية أكثر صرامة في العملية الفعلية. عادةً ما يُطلب من مواد الطبقة السيراميكية أن تكون لها قابلية نقل حراري منخفضة ونقطة ذوبان عالية، وأن لا تخضع لتحوّل الطور بسهولة ضمن النطاق من درجة حرارة الغرفة إلى درجة الحرارة التشغيلية، كما تحتاج أيضًا إلى معامل تمدد حراري عالٍ، مقاومة مميزة للصدمات الحرارية، مقاومة للتصلب، ومقاومة للتآكل [24]. بالنسبة لمواد الطبقة اللاصقة، يُطلب منها أن تكون مقاومة للتآكل، مقاومة للأكسدة، ولديها قوة لصق جيدة وغيرها من الخصائص [25-26].

مادة الطبقة السيراميكية

تقتصر الشروط الصارمة لخدمة طلاء الحواجز الحرارية على اختيار المواد. حاليًا، تُعتبر مواد طلاء الحواجز الحرارية المناسبة للتطبيق العملي محدودة جدًا، وتتمثل بشكل رئيسي في مواد YSZ ومواد YSZ المضافة بأكاسيد الأرض النادرة.

(1) زركونيا المستقرة بأكسيد اليتريوم

في الوقت الحاضر، بين المواد السيراميكية، يبرز أكسيد الزركونيوم (ZrO2) بسبب نقطة انصهاره العالية، وموصلته الحرارية المنخفضة، ومعامل تمدده الحراري العالي ومقاومته الجيدة للكسر. ومع ذلك، فإن أكسيد الزركونيوم النقي لديه ثلاث أشكال بلورية: الطور المونوكليني (m)، الطور المكعب (c)، والطور الرباعي (t)، وأكسيد الزركونيوم النقي يسهل عليه الخضوع لتحولات الطور مما يؤدي إلى تغيير في الحجم، مما له تأثيرات سلبية على عمر الطلاء. لذلك، يتم غالبًا إضافة مواد مثبتة مثل أكسيد الإيتريوم (Y2O3)، أكسيد الكالسيوم (CaO)، أكسيد المغنيسيوم (MgO)، وأكسيد الإسكانيوم (Sc2O3) إلى أكسيد الزركونيوم لتحسين استقراره البلوري. من بينها، 8YSZ يمتلك أفضل الأداء، حيث لديه صلابة كافية (~ 14 جيجا باسكال)، وكثافة منخفضة (~ 6.4 ميجا غرام·م-3)، وموصلة حرارية منخفضة (~ 2.3 واط·م-1·ك-1 عند 1000℃)، ونقطة انصهار عالية (~ 2700℃)، ومعامل تمدد حراري عالي (1.1×10-5 ك-1) وغيرها من الخصائص الممتازة. لذلك، كمادة طبقة سيراميكية، يتم استخدامه بشكل واسع في طبقات الحواجز الحرارية.

(2) أكاسيد الأرض النادرة المضافة إلى YSZ

عندما يعمل YSZ في بيئة تتجاوز 1200 °C لفترة طويلة، عادةً ما تحدث الانتقالات الطورية والتحميص. من ناحية، يتم تحويل الطور المربع غير المتوازن t' إلى خليط من الطور المكعب c والطور المربع t، وخلال التبريد، يتم تحويل t' إلى الطور الأحادي m، ويحدث الانتقال الطوري باستمرار مع تغير الحجم، مما يؤدي إلى تقشير السطح بسرعة [27]. ومن ناحية أخرى، يقلل التحميص من المسامية في الطلاء، مما يقلل من أداء العزل الحراري وقدرة الطلاء على تحمل الإجهاد، ويزيد من الصلابة والمعامل المرن، مما يؤثر بشكل كبير على أداء الطلاء ومدى عمره. لذلك، لا يمكن تطبيق YSZ على جيل المحركات الغازية الثقيلة القادم.

بشكل عام، يمكن تحسين أداء YSZ عن طريق تغيير أو زيادة نوع المستقر لزركونيا، مثل طريقة التحلل النادر باستخدام أكاسيد الأرض النادرة [28-30]. وقد تم العثور على أن الفرق الأكبر في نصف قطر أيونات Zr والأيونات المضافة يؤدي إلى تركيز أعلى من العيوب، مما يمكن أن يحسن تشتيت الفونون ويقلل من الموصلية الحرارية [31]. استخدم CHEN وآخرون [32] تقنية APS لإعداد طبقة سيراميك عازلة حرارية (LGYYSZ) مع YSZ المضافة بـ La2O3, Yb2O3 و Gd2O3، وحصلوا على معامل التمدد الحراري والموصلية الحرارية للطبقة العازلة الحرارية من خلال القياس والحساب، وأجروا اختبار دورة حرارية عند 1400℃. تشير النتائج إلى أن طبقة LGYYSZ لديها موصلية حرارية أقل، وحياة دورة حرارية أطول واستقرار جيد للمرحلة عند 1500℃ مقارنة بطبقة YSZ. قام Li Jia وآخرون [33] بإعداد مسحوق YSZ المضاف بـ Gd2O3 و Yb2O3 باستخدام طريقة الترسيب الكيميائي المشترك وإعداد طبقة YSZ المضافة بـ Gd2O3 و Yb2O3 باستخدام APS، ودرسوا تأثير كميات مختلفة من الإضافات على استقرار المرحلة. تشير النتائج إلى أن استقرار المرحلة لطبقة YSZ المضافة بـ Gd2O3 و Yb2O3 أفضل من طبقة 8YSZ التقليدية. تكون مرحلة m أقل بعد المعالجة الحرارية عند درجات حرارة عالية عندما تكون كمية الإضافة منخفضة، وتنتج مرحلة مكعبة مستقرة عندما تكون كمية الإضافة مرتفعة.

مقارنة مع YSZ التقليدية، المادة السيراميكية YSZ المعدلة الجديدة لديها قابلية توصيل حراري أقل، مما يجعل طبقة عازلة الحرارة ذات أداء عازل حراري أفضل، وتوفر أساسًا مهمًا لأبحاث طبقات العزل الحراري عالية الأداء. ومع ذلك، فإن الأداء الشامل لـ YSZ التقليدية جيد، وهي مستخدمة على نطاق واسع ولا يمكن استبدالها بأي YSZ معدل.

مادة الطبقة الرابطة

الطبقة اللاصقة مهمة جدًا في طبقة الحواجز الحرارية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن ربط الطبقة السيراميكية بقوة مع المصفوفة السبائكية، ويمكن تقليل الإجهاد الداخلي الناتج عن عدم توافق معامل تمدد المادة نتيجة التغيرات الحرارية في الطبقة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تحسين مقاومة التآكل الحراري ومقاومة الأكسدة لنظام الطلاء بالكامل من خلال تكوين فيلم أكسيد كثيف عند درجات حرارة عالية، مما يطيل عمر طبقة الحاجز الحراري. حاليًا، يتم استخدام مادة سبيكة MCrAlY (حيث M هو Ni أو Co أو Ni+Co، وذلك يعتمد على الاستخدام) بشكل عام للطبقة اللاصقة. من بينها، يتم استخدام NiCoCrAlY بشكل واسع في turbinات الغاز الثقيلة بسبب خصائصه الشاملة الجيدة مثل مقاومة الأكسدة والتصاق التآكل. في نظام MCrAlY، يتم استخدام Ni وCo كعناصر أساسية للمصفوفة. بسبب مقاومة الأكسدة الجيدة لـ Ni والمقاومة الجيدة للإرهاق لـ Co، فإن الخصائص الشاملة لـ Ni+Co (مثل مقاومة الأكسدة والتصاق التآكل) هي جيدة. بينما يتم استخدام Cr لتحسين مقاومة التآكل للطلاء، يمكن لـ Al تعزيز مقاومة الأكسدة للطلاء، ويُمكن لـ Y تحسين مقاومة التآكل والصدمة الحرارية للطلاء.

أداء نظام MCrAlY ممتاز، ولكنه يمكن استخدامه فقط لدرجات الحرارة أقل من 1100 درجة مئوية. من أجل رفع درجة حرارة التشغيل، قامت الشركات المصنعة والباحثون بإجراء العديد من الدراسات حول تعديل طبقة MCrAlY. على سبيل المثال، إضافة عناصر سبيكة أخرى مثل W، Ta، Hf و Zr [34] لتحسين أداء الطبقة الرابطة. قام YU وآخرون [35] برش طبقة عازلة حرارية تتكون من طبقة رابطة NiCoCrAlY معدلة بالبلاتينوم وطبقة سيراميك زركونيا المستقرة باليتريوم بنانوهيكلية تحتوي على 4% وزنيًا (4YSZ) على السبائك الخارقة القائمة على النيكل من الجيل الثاني. تم التحقيق في سلوك الدورة الحرارية لطبقة العزل الحراري NiCoCrAlY-4YSZ في الهواء وتقييم تأثير البلاتينوم على تكوين الأكسدة ومقاومة TGO عند 1100 درجة مئوية. تشير النتائج إلى أن تعديل NiCoCrAlY بالبلاتينوم يساعد في تكوين α-Al2O3 وتقليل معدل نمو TGO، مما يؤدي إلى زيادة عمر طبقة العزل الحراري. قام GHADAMI وآخرون [36] بإعداد طبقة مركبة نانوية NiCoCrAlY باستخدام الرش الناري فوق الصوتي مع nanoCEO2. تم مقارنة طبقات NiCoCrAlY المركبة النانوية التي تحتوي على 0.5، 1 و 2% وزنيًا من nanoCEO2 مع الطبقات التقليدية NiCoCrAlY. تشير النتائج إلى أن طبقة NiCoCrAlY-1% وزنيًا من nano-CEO2 المركبة تتمتع بمقاومة أفضل للأكسدة، وصلابة أعلى ونسبة ثقوب أقل مقارنة بالطبقات التقليدية الأخرى NiCoCrAlY والطبقات المركبة النانوية NiCoCrAlY.

في الوقت الحاضر، بالإضافة إلى نظام MCrAlY الذي يمكن تطبيقه كطبقة ربط، فإن NiAl يعتبر أيضًا مادة أساسية لطبقة الربط. يتكون NiAl بشكل أساسي من β-NiAl، والذي يشكل فيلم أكسيد كثيف ومستمر على سطح الطلاء عند درجات حرارة أعلى من 1200℃، وهو معترف به كأفضل مرشح كمادة لجيل جديد من طبقات الربط المعدنية. بالمقارنة مع MCrAlY والطلاء التقليدي β-NiAl، فإن طلاء β-NiAl المعدل بـ PT يتمتع بمقاومة أفضل للتآكل والتآكل الكيميائي. ومع ذلك، فإن الفيلم الأكسيدي الناتج عن درجات الحرارة العالية لديه التصاق ضعيف، مما سيقلل بشكل كبير من عمر الطبقة. لذلك، من أجل تحسين أداء NiAl، قام الباحثون بدراستهم باستخدام التعديل بالإضافة. قام Yang Yingfei وآخرون [37] بإعداد طلاء NiCrAlY، وطلاء NiAl، وطلاء NiAl المعدل بـ PT، وطلاء NiAl المشترك بـ Pt+Hf، وقارنوا بين مقاومة الأكسدة لهذه الطلاءات الأربعة عند 1100℃. أظهرت النتائج النهائية أن أفضل مقاومة للأكسدة كانت للطلاء المشترك بـ Pt+Hf. قام Qiu Lin [38] بإعداد سبيكة NiAl بلوكية ذات محتوى مختلف من Al وسبيكة β-NiAl بلوكية ذات محتوى مختلف من Hf/Zr عن طريق الذوبان القوسي تحت الفراغ، ودرس تأثيرات Al وHf وZr على مقاومة الأكسدة لسبيكة NiAl. أظهرت النتائج أن مقاومة الأكسدة لسبيكة NiAl زادت مع زيادة محتوى Al، وأن إضافة Hf/Zr في سبيكة β-NiAl كانت مفيدة لتحسين مقاومة الأكسدة، وكانت الكميات الأمثل للإضافة 0.1 at.% و0.3 at.% على التوالي. أعد LI وآخرون [39] طبقة جديدة معدّلة بنادرات الأرض β- (Ni, Pt) Al على سبيكة نيكل Mo-غنية ذات أساس Ni2Al بواسطة تقنية الترسيب الكهروكيميائي والتكنولوجيا ذات النشاط المنخفض للألومنيوم، وقارنوا بين الطبقة المعدلة بنادرات الأرض β- (Ni, Pt) Al والطبقة التقليدية β- (Ni, Pt) Al. السلوك التأكسدي الثابت للطلاء عند 1100℃. أظهرت النتائج أن العناصر النادرة يمكن أن تحسن من مقاومة الأكسدة للطلاء.

بالمجمل، طبقات MCrAlY وNiAl لديها مزايا وعيوبها الخاصة، لذلك يجب على الباحثين الاستمرار في البحث عن التعديلات بناءً على هذين المادتين المستخدمتين كطلاء، والسعي لتطوير مواد جديدة لطبقة الالتصاق المعدنية، حتى يمكن رفع درجة حرارة التشغيل للطلاء الحاجز الحراري المستخدم في التوربينات الغازية الثقيلة.