تقدم البحث واتجاهات التطوير للمراوح الغازية الثقيلة وطلاء الحواجز الحرارية الخاصة بها (3)

2.1 إعداد طبقة عازلة للحرارة

في حدود معينة، يعتمد التكوين الدقيق لطلاء الحواجز الحرارية ليس فقط على العزل الحراري والمقاومة للأكسدة وغيرها من خصائص الطلاء، ولكنه يحدد أيضًا عمر الطلاء. يعتمد التكوين الدقيق لطلاء الحواجز الحرارية ليس فقط على المادة المستخدمة، ولكن أيضًا على عملية الإعداد. لذلك، من المهم اختيار العملية المناسبة وفقًا لمتطلبات الإعداد المختلفة. هناك العديد من الطرق لإعداد طلاء الحواجز الحرارية، لكنها تُقسم بشكل أساسي إلى فئتين: الأولى هي طريقة الرش الحراري، والثانية هي طريقة الترسيب بالبخار الفيزيائي. تحتوي طريقة الرش الحراري بشكل رئيسي على الرش فوق الصوتي، الرش البلازما، الرش الانفجاري وغيره. يكون الطلاء المعد بإستخدام الرش الحراري على شكل صفائح. أما طريقة الترسيب بالبخار الفيزيائي فهي في الغالب الترسيب بالبخار الفيزيائي باستخدام الشعاع الإلكتروني (EB-PVD)، ويكون الطلاء الناتج على شكل أعمدة. يتم استخدام طبقة السيراميك في طلاء الحواجز الحرارية غالبًا باستخدام طرق مثل الترسيب بالبخار الفيزيائي باستخدام الشعاع الإلكتروني، الرش البلازما الجوي وغيرها. تعتمد الطبقة المعدنية اللاصقة بشكل رئيسي على تقنيات الرش الحراري مثل الرش البلازما الجوي (APS)، الرش البلازما منخفض الضغط (LPPS) والرش الناري فوق الصوتي (HVOF) [40]. حتى الآن، تعتبر APS و EB-PVD الأساليب الرئيسية لإعداد طلاء الحواجز الحرارية في turbinات الغاز.

2.1.1 رش البلازما الجوي

الـ APS هو نوع من القوس الكهربائي المستمر الذي يُنتج بواسطة البندقية الرش لتحويل غازات مثل Ar، He، N2 وغيرها إلى النفاثة البلازما، مما يجعل مسحوق السيراميك ومسحوق المعدن الناقل بواسطة الغاز الحامل يتم تسخينهما بسرعة وإذابتهما إلى جزيئات مذابة أو شبه مذابة. تكنولوجيا تشكيل طبقة على سطح المصفوفة السوبرسبائك عن طريق تصديمها بطاقة حركية كبيرة (80 ~ 300 م/ث) تحت تأثير الحقل الكهربائي [42]. تتكون الطبقة العازلة للحرارة المُعدة باستخدام تقنية الـ APS من العديد من الجسيمات المتراكمة، ويكون المصفوف الأساسي مرتبطًا بشكل رئيسي بالهيكل الدقيق الطبقاني، والذي يحتوي على العديد من العيوب المتوازية مع مصفوفة السبيكة، مثل المسام والشقوق الدقيقة (كما هو موضح في الشكل 2). أسباب التكوين هي كالتالي: تحت ظروف درجات الحرارة العالية، سيذوب السيراميك أو المعدن ليشكل جزيئات مذابة، وسيحتوي على بعض الغازات المحيطة، ولكن معدل تبريد الطبقة يكون سريعًا جدًا، مما يجعل الغاز الذائب في الجزيئات المذابة أثناء عملية الإيداع لا يمكنه الترسيب في الوقت المناسب، وبالتالي يتكون المسام؛ وفي نفس الوقت، فإن الارتباط غير الكافي بين الجزيئات المذابة يؤدي أيضًا إلى تكوين المسام والشقوق في الطبقة. لذلك، إذا تم استخدام الـ APS لإعداد طبقات عازلة للحرارة، فإن نسبة المسامية تكون مرتفعة ولها أداء عزل حراري جيد، لكن عيوبها هي عدم كفاية تحمل التشوهات وضعف مقاومة الصدمات الحرارية [43]، وهي تُستخدم بشكل أساسي للأجزاء التي تعمل في بيئات عمل نسبيًا أفضل. بالإضافة إلى ذلك، فإن إعداد الـ APS رخيص التكلفة، لذا يمكن تطبيقه على أجزاء أكبر.

2.1.2 ت증يف البخار الفيزيائي باستخدام شعاع إلكتروني

الـ EB-PVD هي تقنية تستخدم شعاع إلكتروني عالي الكثافة للتدفئة مسحوق الطلاء داخل غرفة شغط لتكوين بركة مذابة على سطح المسحوق لتُبخر المسحوق السيراميكي وتُودع ذراته على سطح القاعدة لتشكيل طبقة حاجز حراري [45] كما هو موضح في الشكل 3. بنية طبقة الـ EB-PVD تتكون من بلورات عمودية متعامدة مع مصفوفة السبيكة، ويتم ربط الطبقة والسبيكة بشكل أساسي عن طريق الارتباط المعدني. ليس فقط أن السطح ناعم، ولكنه يتميز بكثافة جيدة، مما يجعله يمتلك قوة ربط عالية، تحمل التوتر، ومقاومة الصدمات الحرارية. يتم تطبيقها بشكل أساسي على الأجزاء التي تعمل في بيئات عمل صعبة مثل شفرات دوار التوربينات الغازية. ومع ذلك، فإن تكلفة إعداد طبقة الـ EB-PVD باهظة الثمن، ويمكن إعداد طبقات رقيقة فقط، وللأبعاد الهيكلية للأجزاء متطلبات معينة، لذلك فهي تُستخدم بشكل نادر في التوربينات الغازية.

العمليتان أعلاه لتحضير الطبقة العازلة للحرارة قد نضجتا بشكل كبير، لكنهما لا تزالان تعانيان من مشاكلهما الخاصة كما هو موضح في الجدول 2. في السنوات الأخيرة، يعمل الباحثون المعنيون باستمرار على التحسين والإبداع في طرق جديدة لتحضير طبقات عازلة للحرارة. وفي الوقت الحالي، بين الطرق الشائعة لتحضير طبقة عازلة حرارية جديدة، يبرز تقنية الإيداع بالتبخر الفيزيائي باستخدام الرش البلازما (PS-PVD)، والتي تعتبر واحدة من أكثر التقنيات وعياً وفعالية لتحضير طبقات عازلة للحرارة.

2.1.3 رش البلازما بالإيداع بالتبخر الفيزيائي

تكنولوجيا PS-PVD تم تطويرها بناءً على الرش البلازما تحت الضغط المنخفض. يتكون هيكل الطلاء باستخدام هذه الطريقة من ريش واعمدة، والمسام في الطلاء كثيرة والفجوات كبيرة كما هو موضح في الشكل 4. لذلك، تحسنت تقنية PS-PVD مشكلة العزل الحراري غير الكافية لطلاء EB-PVD وضعف مقاومة الصدمات الحرارية لطلاء APS، ويتميز الطلاء الحاجب للحرارة المُعد باستخدام تقنية PS-PVD بقوة الترابط العالية، وأداء عازل حراري جيد ومقاومة جيدة للصدمات الحرارية، لكنه يعاني من ضعف المقاومة للتآكل والتآكل الناتج عن CMAS. وعلى هذا الأساس، اقترح ZHANG وآخرون [41] طريقة تعديل الطلاء الحاجب للحرارة PS-PVD 7YSZ باستخدام Al2O3. أظهرت نتائج التجارب أن مقاومة الأكسدة ومقاومة التآكل الناتجة عن CMAS للطلاء الحاجب للحرارة 7YSZ المُعد باستخدام تقنية PS-PVD يمكن تحسينها من خلال التعديل بالألومنيوم.