Forskningsfremskridt og udviklingsretning for tunge gas turbine og deres varmebarrieredygninger (4)

Nøgletal for varmebarrierebeklædning af gasturbine

Da arbejdet med stationære tunge gasturbiner normalt foregår i en kompleks miljø, og vedligeholdelsescyklen er lang, kan den opnå op til 50.000 timer. Derfor, for at forbedre gasturbinteknologien inden for varmebarrieredyning og udvide brugslivet af varmebarrieredyningen, har forskere i de senere år udført meget forskning om nøglegenskaberne af varmebarrieredyninger, såsom varmeisolering, oxidation modstand, varmetilpasningsmodstand og CMAS korrosionsmodstand. Blandt disse er forskning og fremskridt inden for varmeisolering, oxidation modstand og varmetilpasningsmodstand relativt godt dokumenteret, men modstanden mod CMAS-korrosion er relativt skældent. Samtidig har CMAS-korrosion blevet en af de største fejlmekanismer for varmebarrieredyninger, hvilket hindrer udviklingen af næste generations højydende gasturbiner. Derfor behandler denne sektion først kort varmeisolering, oxidation modstand og varmetilpasningsmodstand for varmebarrieredyninger, og fokuserer derefter på forskningsfremskridtene inden for CMAS-korrosionsmekanisme og beskyttelsesteknologi for varmebarrieredyninger i afsnit 4.

Varmeisolations egenskab

Med udviklingen af industrien har højydelses gas turbine sat højere krav til turbinindgangstemperaturen. Derfor er det meget vigtigt at forbedre varmeisoleringen af termisk barrierebeklædning. Varmeisoleringen af termisk barrierebeklædning er forbundet med materialet, strukturen og fremgangsmåden for beklædningen. Desuden vil tjenesteomgivelserne for termisk barrierebeklædning også påvirke dets varmeisolations egenskaber.

Termisk ledning bruges normalt som evalueringsskala for termisk isolationsydeevne af varmeskattebelægninger. Liu Yankuan og kolleger [48] forberedte en 2 mol.% Eu3+ doped YSZ-belægning med APS og sammenlignede den med en ren YSZ-belægning. Resultaterne viste, at termisk ledning af 2 mol.% Eu3+ doped YSZ-belægning var lavere, det vil sige, at termisk isolation af 2 mol.% Eu3+ doped YSZ-belægning var bedre. Det blev fundet, at de rumlige og geometriske karakteristika af huller i belægningen har stor indvirkning på termisk ledning [49]. SUN og kolleger [50] udførte en sammenlignende studie af termisk ledning og elastisk modul af varmeskattebelægninger med forskellige hulkaraktistikker. Resultaterne viser, at termisk ledning og elastisk modul af varmeskattebelægningen aftager med formindskelsen af hulkaraktistikken, og jo højere porositet, des lavere termisk ledning. Et stort antal studier har vist, at i forhold til EB-PVD-belægning har APS-belægning bedre termisk isolation, fordi APS-belægning har højere porositet og lavere termisk ledning [51]. RATZER-SCHEIBE og kolleger [52] undersøgte indvirkningen af belægnings tykkelse af EB-PVD PYSZ på termisk ledning, og resultaterne viste, at belægnings tykkelsen af EB-PVD PYSZ havde stor indvirkning på dens termiske egenskaber, det vil sige, at belægnings tykkelsen var også en af de vigtige faktorer, der påvirker isolationsydeevnen af varmeskattebelægningen. Forskningsresultaterne fra Gong Kaisheng og kolleger [53] viser også, at i tykkelsesområdet for faktisk applikation er isolationsydeevnen af belægningen proportional med dens tykkelse og temperaturforskel i miljøet. Selv om termisk isolationsydeevne af varmeskattebelægningen forbedres med øget tykkelse, når belægnings tykkelsen fortsat øges til en bestemt værdi, kan det nemt føre til spændingskoncentration i belægningen, hvilket resulterer i tidlig fejl. Derfor bør belægnings tykkelsen reguleres rimeligt for at forbedre isolationsydeevnen af belægningen og forlænge dens service liv.

oxidationsresistens

Under forhold af højtemperatur oxidation dannes let et lag af TGO i den termiske barrierbeklædning. Indvirkningen af TGO på den termiske barrierbeklædning [54] har to sider: På den ene side kan det dannede TGO forhindre, at kulstof fortsat diffunderer indvendigt og mindske den ydre indvirkning på oxidationen af alliansmatrixen. På den anden side med den kontinuerlige tyndning af TGO, på grund af dets store elastisk modulus og den store forskel mellem dets varmeudvidelseskoefficient og klistrelaget, er det også relativt nemt at producere stor spænding under køleprocessen, hvilket vil få beklædningen til at falde af hurtigt. Derfor er det nødvendigt at forbedre oxidation modstands evne af beklædningen for at forlænge livet af den termiske barrierbeklædning.

XIE et al. [55] undersøgte opbygningen og vekstførende af TGO, som blev hovedsagelig delt i to faser: først, et tæt α -Al2O3 film blev dannet på bindingslaget, og derefter blev et porøst blandet oxid dannet mellem keramiklaget og α -Al2O3. Resultaterne viser, at det primære stof, der forårsager sprækker i den termiske barrierekote, er det porøse blandede oxid i TGO, ikke α -Al2O3. LIU et al. [56] foreslog en forbedret metode til at simulere vækstfarten af TGO ved numerisk analyse af belastningsudviklingen i to faser, således at livet for varmebarrieredyb kan præciseres korrekt. Derfor kan tykkelsen af TGO effektivt kontrolleres ved at kontrollere væksten af porøse skadelige blandede oxider, således at for tidlig fejl i varmebarrieredyb undgås. Resultaterne viser, at væksten af TGO kan forsinke ved at bruge dobbeltkeramiske varmebarrieredyb, aflejring af en beskyttende lag på overfladen af dybet og forbedring af dybets overfladedensitet, og oxidation modstand kan forbedres i vis udstrækning. AN et al. [57] brugte APS-teknologien til at forberede to slags varmebarrieredyb: Dannelsen og væksten af TGO blev undersøgt ved isoterme oxidationstester på 1 100 ℃ . Den første er YAG/YSZ dobbelt keramisk barrieret coating (DCL TBC) og den anden er YSZ enkelt keramisk barrieret coating (SCL TBC). Forskningsresultaterne viser, at opstår- og vækstprocessen for TGO følger love af termodinamik, som vist i figur 5: Ifølge formler (1) ~ (8), dannes Al2O3 først, og derefter oxideres Y-ionerne til et ekstremt tyndt lag af Y2O3 på overfladen af Al2O3 TGO, og de to reagerer med hinanden for at danne Y3Al5O12. Når Al-ionen reduceres til en bestemt værdi, oxidere andre metallementer i bindingslaget før og efter for at danne blandede oxider (Cr2O3, CoO, NiO og spineloxider osv.), først ved at danne Cr2O3, CoO, NiO, og derefter reagere med (Ni, Co) O og Al2O3 for at danne (Ni, Co) Al2O4. (Ni, Co) O reagerer med Cr2O3 for at danne (Ni, Co) Al2O4. I sammenligning med SCL TBC sker opstår- og væksten af TGO i DCL TBC langsommere, så det har bedre højtemperaturantioxidations egenskaber. Xu Shiming et al. [58] brugte magnetronsputtering til at aflede en film på overfladen af 7YSZ-coating. Efter varmebehandling, α -Al2O3 laget blev genereret ved in-situ reaktion. Studiet viste, at α -Al2O3 laget, der dannedes på overfladen af belægningen, kunne forbedre oxidationsmodstanden ved at forhindre oksygeniondiffusion. FENG et al. [59] viste, at laserremelting af APS YSZ-belægningsoverflade kan forbedre oxidationsmodstanden, hovedsageligt fordi laserremelting kan forbedre tæthed af belægningen, hvilket forsinkede væksten af TGO.

Termisk chokbestandighed

Når de varme slutninger af tunglastede gas turbine er i drift i en højtemperaturmiljø, lider de ofte under termisk chok forårsaget af hurtige temperaturændringer. Derfor kan de alloyde dele beskyttes ved at forbedre termiske chokmodstand i den termiske barrierebeklædning. Termisk chokmodstanden af den termiske barrierebeklædning testes normalt ved termisk cyklus (termisk chok) test, først holdt på høj temperatur i en periode, og derefter fjernet til luft/vand køling, hvilket er en termisk cyklus. Termisk chokmodstanden af den termiske barrierebeklædning vurderes ved sammenligning af antallet af termiske cykler, som beklædningen har gennemgået, når den fejler. Studier har vist, at termisk chokmodstanden af gradientstruktur termisk barrierebeklædning er bedre, hovedsagelig fordi tykkelsen af gradientstruktur termisk barrierebeklædning er lille, hvilket kan forsinke termiske spændinger i beklædningen [60]. ZHANG et al. [61] udførte termiske cyklustests på 1 000 ℃ på de tre former for spot, stribe og raster termiske barriereoverflader, der er opnået ved laseromsmelting af NiCrAlY / 7YSZ termisk barriereoverflade, og undersøgt termisk chokmodstand for sprøjtede prøver og tre prøver med forskellige former efter laserbehandling. Resultaterne viser, at prikket prøve har den bedste termiske chokmodstand, og dens termiske cyklusliv er dobbelt så lang som for en sprøjteprøve. Imidlertid er termiske chokmodstanden for stribe- og rasterprøverne værre end for sprøjteprøverne, som vist i figur 6. Desuden har en stor mængde studier vist, at nogle nye coatingsmaterialer har god termisk chokmodstand, såsom SrAl12O19 [62] foreslået af ZHOU et al., LaMgAl11O19 [63] foreslået af LIU et al., og Sm2 (Zr0.7Ce0.3) 2O7 [64] foreslået af HUO et al. Derfor, for at forbedre termisk chokmodstand for termiske barriereoverflader, ud over strukturel design og optimering af coatings, er det muligt at finde og udvikle nye materialer med god termisk chokmodstand.