Forskningsfremskridt og udviklingsretning for tunge gas turbine og deres varmebarrieredygninger (2)

Termisk barrierebelægning

Forskningsbaggrund for termiske barrierebelægninger

Eftersom den første gasturbine blev udviklet med succes i 1920, har gasturbinen altid spillet en afgørende rolle inden for elektroproduktion og drev. Desuden, med udviklingen af industrielt teknologi, forbedres teknologien for tunge gasturbiner konstant, og hvordan man forbedrer effektiviteten af tunge gasturbiner bliver mere og mere presserende. Turbinbladet er et af de vigtige komponenter i brændselsystemet for tunge gasturbiner. At øge turbinindgangstemperaturen kan effektivt forbedre effektiviteten af tunge gasturbiner. Derfor kan relevante forskere arbejde mod at øge temperaturen på turbinindgangen. For at opfylde den stigende efterspørgsel efter driftstemperatur for fremtidige effektive gasturbiner, sprøjtes termiske barrierebelægninger normalt på overfladen af varmekomponenter.

I 1953 blev konceptet for termisk barrierekøATING først fremlagt af NASA-Lewis Research Institute i USA [13], det vil sige, at keramisk coating sprøjtes på overfladen af komponenter, der arbejder i højtemperaturmiljøer ved hjælp af termisk sprøjte teknologi, for at give varmeisolering og beskyttelse, mindske bladoverfladens temperatur, reducere motorens brændstofforbrug og forlænge bladets service liv. Termisk barrierekøATING er blevet bredt anvendt i de varme ende-komponenter af industrielle gaskraftværker og flymotorer (turbineblader og forbrændingskammer osv.) på grund af dets fremragende egenskaber såsom lav fremstillingsomkostning og god varmeisoleringsskyldning, og anses internationalt som en fremtidig teknologi inden for tung gaskraftværksproduktion.

Systemstruktur af termisk barrierekøATING

• Med fremgangen og udviklingen af videnskab og teknologi bliver indlægstemperaturen for gasturbiner højere og højere. For at opnå en bedre varmeisoleringseffekt af termisk barrierebeklædning fokuserer de fleste studier over hele verden på at designestrukturen af termisk barrierebeklædning, hvilket er tilstrækkeligt for at vise vigtigheden af strukturen i termisk barrierebeklædning [14]. Ifølge forskellige coating-strukturer kan den opdeles i tolaget, flerlags- og gradientstruktur [15].
• Blant dem er den tolagsdekkelse med dobbeltlag af keramisk lag og bindingsslag, som er den enkleste og mere modne varmebarrierebeklædning blandt alle beklædningsstrukturer, blevet vidt udbredt i varmebarrierebeklædnings teknologi. Blant de mest udbredte tolagsstrukturvarmebarrierebeklædninger bruger man 6 wt.% ~ 8 wt.% yttrium stabiliseret zirkonia (6-8YSZ) som ekstern keramisk lagemateriale og MCrAlY (M=Ni, Co, Ni+Co osv.) legering som metalbindingsslagemateriale [16]. Dog, på grund af mismatch mellem termisk udvidelseskoefficient for keramikken og metallagets bindingslag, er det nemt at skabe spændinger i beklædningen og få beklædningen til at falde af tidligt.
• For at forbedre ydeelsen af den termiske barrierebeklædning, forberedte forskerne en flerlagsstruktur af termisk barrierebeklædning med en relativt kompleks struktur (kompositbeklædning), det vil sige, at flere isolerings- og barriere-lag blev tilføjet på baggrund af den tolagsstruktur af termisk barrierebeklædning, normalt fem lag. Blandt dem er de mest undersøgte blokeringslag hovedsagelig Al2O3, NiAl osv. [17]. FENG et al. [18] brugte APS til at forberede YSZ termisk barrierebeklædning og LZ/YSZ termisk barrierebeklædning (La2Zr2O7 / ZrO2-Y2O3 dobbelt keramisk lag termisk barrierebeklædning) og brugte lasersmeltningsteknologi til at smelte bekładningsoverfladen om, og udførte derefter en højtemperaturoxidationsprøve på 1 100℃. Resultaterne viser, at i forhold til YSZ termisk barrierebeklædning har LZ/YSZ dobbelt keramisk termisk barrierebeklædning bedre oxidationstilbøjelighed. Selvom ydeelsen af flerlagsbarrierebeklædningen er bedre end den af tolagsbarrierebeklædningen, er dens struktur og fremgangsmåde mere kompliceret, og dens varmechocksmodstand er dårlig, så den har begrænsninger i praktisk anvendelse. Derfor kommer gradientstrukturen af termisk barrierebeklædning til at eksistere.
• Gradientstrukturten varmebarrierebeklædning karakteriseres ved den kontinuerlige gradientændring af sammensætning og struktur langs tredelsretningen, hvilket resulterer i en uklar mellemlagsgrænseflade. I forhold til tolagsgitter og flerlagsstrukturer har gradientstrukturen varmebarrierebeklædning ikke blot fremragende varmeskattevoldighed, men viser også kontinuert gradientændring i ydeevne, så den har varmestressletningskarakteristika og kan anvendes i streng højtemperaturmiljø. De vigtigste varmesprøjte teknologier for funktionelt graduerede varmebarrierebeklædnings blev gennemgået af hr... Selvom der findes flere forberedelsesmetoder, er gradientstrukturen varmebarrierebeklædning dårlig i praksis på grund af dens komplekse forberedelsesproces, vanskelige at kontrollere strukturelle komponenter og høj omkostning.
• I sammenfatning er den dobbeltlaget termiske barrierbeklædning bredt brugt, og processen er modnet, og den er stadig den foretrukne strukturelle form for termisk barrierbeklædning. Det keramiske lag og det bindingslag [20] aflejres på den allegrismatrix ved hjælp af termisk sprøjte teknologi. Under forhold med højtemperaturoxidation dannes der efter oxidation en tynd lag af varmevokset oxid på overfladen af det bindingslag, som vist i figur 1. Heriblandt fungerer den allegrismatrix som et komponent beskyttet af termisk barrierbeklædning, hvilket kan spille en rolle ved at bære ydre mekaniske belastninger, og dens materiale er hovedsagelig nickelbaseret superallegri med højtemperaturmodstand og oxidationstilskuelighed. Formålet med det bindingslag er at forøge bindingskraften mellem det keramiske lag og den allegrismatrix, tykkelsen er normalt 50 ~ 150 µm, og materialet er normalt valgt MCrAlY (M=Ni/Co/Ni+Co), som har en lille forskel i termisk udvidelseskoefficient for den allegrismatrix. Termisk vokset oxid (TGO) er primært en type α-Al2O3-tynnlag dannet mellem det keramiske lag og det bindingslag under højtemperaturoxidationsforhold, med en tykkelse på 1 ~ 10 µm, hvilket har stor indflydelse på beklædningen. Det keramiske lag har funktionerne isolering, korrosionsmodstand og kollisionsmodstand [21], tykkelsen er normalt 100 ~ 400 μm, og materialet er hovedsagelig 6-8YSZ med lav termisk ledningsevne og relativt høj termisk udvidelseskoefficient [22].

Materialer til termisk barrierebeklædning

Indgangstemperaturen for turbinbladet er tæt forbundet med dets arbejds-effektivitet. Kun ved at øge indgangstemperaturen på turbinbladet kan arbejds-effektiviteten forbedres. Imidlertid, med udviklingen af videnskab og teknologi samt industrien, stiger arbejdstemperaturen på de varme endestykker i tunge gas-turbiner stadig, og den grænse-temperatur for nikkelbaserede alloyturbinblad er 1150℃, hvilket ikke længere kan arbejde ved højere temperature. Derfor er det særligt presserende at finde og udvikle termiske barrierebeklædningsmaterialer med fremragende egenskaber. Blandt disse, fordi servicebetingelserne for termiske barrierebeklædninger er meget dårlige, er valgkravene for materialerne til termiske barrierebeklædninger strengere i den faktiske proces. Keramiklag-materialer kræves normalt til at have lav varmeledning og høj smeltetemperatur, og skal ikke let undergå fasetransformation i området fra rumtemperatur til service-temperatur, og har også brug for en høj termisk udvidelses-koefficient, fremragende termisk chokmodstand, sinteringsmodstand og korrosionsmodstand [24]. For bindningslag-materialerne kræves korrosionsmodstand, oxidationmodstand, god bindingsstyrke og andre egenskaber [25-26].

Ceramisk lag materiale

De strenge driftsforhold for varmebarrierbeklædning begrænser valget af materialer. I øjeblikket er de varmebarrierbeklædningsmaterialer, der er egnet til praktisk anvendelse, meget begrænset, hovedsagelig YSZ-materialer og jordalsskaktoksid-dopede YSZ-materialer.

(1) zirkonia stabiliseret med yttriumoxid

For øjeblikket fremtræder ZrO2 blandt keramiske materialer på grund af sin høje smeltepunkt, lav varmeledningsevne, høj koefficient for termisk udvidelse og god knækstyrke. Dog har ren ZrO2 tre krystalfaser: monoklin (m) fase, kubisk (c) fase og tetragonal (t) fase, og ren ZrO2 er nem at udråde fasedannelse, hvilket fører til volumenændring, hvilket har negative virkninger på overfladens levetid. Derfor bliver ZrO2 ofte doperet med stabilisatorer som Y2O3, CaO, MgO og Sc2O3 for at forbedre dens fasestabilitet. Blandt disse har 8YSZ de bedste egenskaber. Den har tilstrækkelig hårdhed (~ 14 GPa), lav densitet (~ 6,4 Mg·m-3), lav varmeledningsevne (~ 2,3 W·m-1 ·K-1 ved 1 000℃), høj smeltepunkt (~ 2 700℃), høj koefficient for termisk udvidelse (1,1×10-5 K-1) og andre fremragende egenskaber. Derfor anvendes det bredt som keramisk lagemateriale i varmeskærmer.

(2) Jordsletteoxider doperet YSZ

Når YSZ arbejder i et miljø over 1 200 °C i længere tid, sker der ofte faseovergange og sintering. På den ene side transformeres den uligebyrdige tetragonale fase t' til en blanding af kubisk fase c og tetragonale fase t, og under køling transformeres t' til monoklin fase m, og fasen overgår kontinuert med volumændringen, hvilket hurtigt fører til abrasion af coatings [27]. På den anden side reducerer sinteringen porøsitet i coatinget, reducerer termisk isolationsydeevne og spændings tolerance af coatinget og øger hårdehed og elastisk modulus, hvilket påvirker betydeligt ydeevne og levetid af coatinget. Derfor kan YSZ ikke anvendes i den næste generation af tunge gas turbine motorer.

Generelt kan ydelsen af YSZ forbedres ved at ændre eller øge typen af stabilisator for zirkonia, såsom metoden med doping af YSZ med sjældne jordoxider [28-30]. Det er blevet fundet, at jo større forskellen i radius mellem Zr-ionerne og de doped ioner, jo højere defektkoncentration, hvilket kan forbedre fonon-sprøjtning og reducere termisk ledningsevne [31]. CHEN et al. [32] brugte APS til at forberede en varmebarrierelag cedrat (LGYYSZ) med La2O3, Yb2O3 og Gd2O3 fælles-doped YSZ, og opnåede termisk udvidelseskoeficient og termisk ledningsevne af varmebarrierelaget gennem måling og beregning, og udførte en termisk cyklustest på 1 400℃. Resultaterne viser, at sammenlignet med YSZ-lagt, har LGYYSZ-laget lavere termisk ledningsevne, længere termisk cyklusliv og god fasestabilitet på 1 500℃. Li Jia et al. [33] forberede Gd2O3 og Yb2O3 fælles-doped YSZ-pulver ved kemisk fælles-præcipiteringsmetode og forberede Gd2O3 og Yb2O3 fælles-doped YSZ-lagt ved APS, og undersøgte indvirkningen af forskellige oxid-dopingmængder på fasestabiliteten af laget. Resultaterne viser, at fasestabiliteten af Gd2O3 og Yb2O3 fælles-doped YSZ-laget er bedre end den traditionelle 8YSZ-lagt. Fasen m fase er mindre efter varmebehandling ved høj temperatur, når dopingmængden er lav, og der produceres en stabil kubisk fase, når dopingmængden er høj.

I forhold til den traditionelle YSZ har det nye ændrede YSZ-keramiske materiale lavere varmeledningsevne, hvilket gør at den termiske barrierekøATING har bedre isolerende egenskaber og giver en vigtig grundlag for forskning inden for højydelse termiske barrierekøATINGS. Traditionel YSZ har imidlertid gode almenlige egenskaber og er vidt udbredt, og kan ikke erstattes af nogen af de ændrede YSZ'er.

Bindningslag materiale

Klemslagslaget er meget vigtigt i termisk barrierelag. Desuden kan keramiklaget være tæt forbundet med alloy-matrixen, og den indre spænding forårsaget af mismatch i termisk udvidelseskoeficient i laget kan reduceres. Desuden kan termisk korrosionsmodstand og oxidationmodstand for hele coatingsystemet forbedres ved at danne et tæt oxidfilm på høj temperatur, hvilket forlænger livstiden af termisk barrierelag. I øjeblikket er materialet, der bruges til klemslagslaget, normalt MCrAlY-alloy (M er Ni, Co eller Ni+Co, afhængigt af anvendelsen). Blandt disse er NiCoCrAlY vidt udbredt i tunge gas-turbiner på grund af dets gode almenlige egenskaber såsom oxidationmodstand og korrosionsmodstand. I MCrAlY-systemet bruges Ni og Co som matrix-elementer. På grund af Nis gode oxidationmodstand og Cos gode træthedsmodstand har Ni+Co (såsom oxidationmodstand og korrosionsmodstand) gode almenlige egenskaber. Mens Cr bruges til at forbedre korrosionsmodstanden af coatinget, kan Al forøge oxidationmodstanden af coatinget, og Y kan forbedre korrosionsmodstanden og termisk chokmodstanden af coatinget.

Ydelsen af MCrAlY-systemet er fremragende, men det kan kun bruges til arbejde under 1 100℃. For at øge tjenestetemperaturen har de relevante producenter og forskere udført meget forskning om ændring af MCrAlY-konningen. For eksempel doping med andre legeringselementer såsom W, Ta, Hf og Zr [34] for at forbedre ydelsen på bindingslaget. YU et al. [35] sprøjtede en varmebarrierekonning bestående af Pt-modificeret NiCoCrAlY-bindingslag og nanostrukureret 4 vægt.% jordium-stabiliseret zirkonia (4YSZ) keramisk lag på andengenerations nickelbaseret superlegering. Termisk cyklus adfærd for NiCoCrAlY-4YSZ-varmebarrierekonning blev undersøgt i luft og virkningen af Pt på opbygningen og oxidation modstand af TGO blev undersøgt ved 1 100℃. Resultaterne viser, at sammenlignet med Nicocraly-4YSZ er modificeringen af NiCoCrAlY med Pt fordelagtig for opbygningen af α-Al2O3 og reduktionen af TGO-vækst rate, hvilket forlænger livslangden af varmebarrierekonningen. GHADAMI et al. [36] forberedte NiCoCrAlY-nanokompositkonning ved supersonic flamme sprøjting med nanoCEO2. NiCoCrAlY-nanokompositkonninger med 0,5, 1 og 2 vægt.% nanoCEO2 blev sammenlignet med konventionelle NiCoCrAlY-konninger. Resultaterne viser, at NICocRALy-1 vægt.% nano-CEO2 kompositkonning har bedre oxidation modstand, højere hårdhed og lavere porositet end andre konventionelle NiCoCrAlY-konninger og NiCoCrAlY nano-kompositkonninger.

I øjeblikket kan MCrAlY-systemet udover at blive anvendt til bindingslaget, også NiAl være et nøglenbindingslagsmateriale. NiAl består hovedsagelig af β-NiAl, som danner en kontinuerlig, tæt oxidfilm på coatings overflade ved temperature over 1 200℃, og anerkendes som det mest potentiale kandidatmateriale for et nyt generations metalbindingslag. I sammenligning med MCrAlY og traditionelle β-NiAl coatings har PT-modificerede β-NiAl coatings bedre oxidationstilbageholdenhed og korrosionsresistens. Dog har den oxidfilm, der dannes ved høj temperatur, dårlig adhæsion, hvilket vil forkorte coatings livmodtageligt meget. Derfor foretog forskere doping-modifikationsstudier på NiAl for at forbedre NiAls ydeevne. Yang Yingfei et al. [37] fremstillede NiCrAlY coating, NiAl coating, PT-modificeret NiAl coating og Pt+Hf kodopet NiAl coating og sammenlignede oxidationstilbageholdenheden af disse fire coatings ved 1 100℃. De endelige resultater viser, at Pt+Hf kodopede NiAl coating har den bedste oxidationstilbageholdenhed. Qiu Lin [38] fremstillede NiAl blokalloy med forskellig Al-indhold og β-NiAl blokalloy med forskellig Hf/Zr indhold ved vacuum bue smeltning og undersøgte effekten af Al, Hf og Zr på oxidationstilbageholdenheden af NiAl alloy. Resultaterne viste, at oxidationstilbageholdenheden af NiAl alloy øgede med stigningen i Al-indholdet, og tilføjelsen af Hf/Zr i β-NiAl alloy var fordelagtig for at forbedre oxidationstilbageholdenheden, og de optimale doping mængder var henholdsvis 0.1 at.% og 0.3 at.%. LI et al. [39] fremstillede en ny sjældnomet modificeret β- (Ni, Pt) Al coating på Mo-rig Ni2Al-baseret superalloy ved elektrodeposition og lav aktivitet aluminium teknologi og sammenlignede sjældnomet modificeret β- (Ni, Pt) Al coating med den traditionelle β- (Ni, Pt) Al coating. Isotermisk oxidationsspecifikation af Pt) Al coating ved 1 100℃. Resultaterne viser, at sjældnometaller kan forbedre oxidationstilbageholdenheden af coatinget.

I samlet opsummering har MCrAlY- og NiAl-koblinger deres egne fordele og ulemper, så forskere bør fortsætte med at insistere på modificeringsforskning på baggrund af disse to koblgningsmaterialer, mens de søger efter udviklingen af nye metalbindingsslagsmaterialer, så den tjenestetemperatur for termisk barrierekobling til tunge gasturbiner kan blive højere.