Forschungsfortschritt und Entwicklungstrend bei Hochleistungsgasturbinen und ihren Wärmedämmschichtsystemen (2) Deutschland

Wärmedämmschicht

Forschungshintergrund von Wärmedämmschichten

Seit der erfolgreichen Entwicklung der ersten Gasturbine im Jahr 1920 hat die Gasturbine immer eine zentrale Rolle im Bereich der Stromerzeugung und des Antriebs gespielt. Darüber hinaus verbessert sich mit der Entwicklung der Industrietechnologie das technische Niveau von Hochleistungsgasturbinen ständig, und die Frage, wie die Effizienz von Hochleistungsgasturbinen verbessert werden kann, wird immer dringlicher. Turbinenschaufeln sind eine der wichtigen Komponenten des Verbrennungssystems von Hochleistungsgasturbinen. Eine Erhöhung der Turbineneinlasstemperatur kann die Effizienz von Hochleistungsgasturbinen effektiv verbessern. Daher können die entsprechenden Forscher darauf hinarbeiten, die Temperatur des Turbineneinlasses zu erhöhen. Um den steigenden Anforderungen an die Betriebstemperatur zukünftiger effizienter Gasturbinen gerecht zu werden, werden üblicherweise Wärmedämmschichten auf die Oberfläche von Hot-End-Komponenten gesprüht.

1953 wurde das Konzept der Wärmedämmschicht erstmals vom NASA-Lewis Research Institute in den USA vorgeschlagen [13]. Dabei wird eine Keramikbeschichtung mithilfe der thermischen Spritztechnologie auf die Oberfläche von Teilen gesprüht, die in einer Umgebung mit hohen Temperaturen arbeiten. Ziel ist es, Wärmedämmung und -schutz zu bieten, die Temperatur der Schaufeloberfläche zu senken, den Kraftstoffverbrauch des Motors zu reduzieren und die Lebensdauer der Schaufel zu verlängern. Wärmedämmschicht wird aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie niedrige Herstellungskosten und guter Wärmedämmung häufig bei den Hot-End-Komponenten von industriellen Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken (Turbinenschaufeln und Brennkammern usw.) verwendet und gilt international als Spitzentechnologie für die Herstellung schwerer Gasturbinen.

Systemaufbau Wärmedämmschicht

• Mit dem Fortschritt und der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie steigt die Einlasstemperatur von Gasturbinen immer weiter an. Um eine bessere Wärmedämmwirkung der Wärmedämmschicht zu erzielen, konzentrieren sich die meisten Studien weltweit auf die Gestaltung der Struktur der Wärmedämmschicht, was ausreicht, um die Bedeutung der Struktur der Wärmedämmschicht zu verdeutlichen [14]. Je nach Struktur der Beschichtung kann sie in Doppelschicht-, Mehrschicht- und Gradientenstruktur unterteilt werden [15].
• Unter ihnen wird die doppelschichtige Wärmedämmschicht, die aus einer Keramikschicht und einer Haftschicht besteht, als einfachste und ausgereifteste Wärmedämmschicht aller Beschichtungsstrukturen in der Wärmedämmschichttechnologie häufig verwendet. Unter ihnen besteht die am häufigsten verwendete doppelschichtige strukturelle Wärmedämmschicht aus 6 bis 8 Gewichtsprozent yttriumstabilisiertem Zirkonoxid (6-8YSZ) als Material für die äußere Keramikschicht und einer MCrAlY-Legierung (M = Ni, Co, Ni + Co usw.) als Material für die metallische Haftschicht [16]. Aufgrund der Nichtübereinstimmung der Wärmeausdehnungskoeffizienten der Keramikschicht und der metallischen Haftschicht können jedoch leicht Spannungen in der Beschichtung entstehen und die Beschichtung kann vorzeitig abfallen.
• Um die Leistung der Wärmedämmschicht zu verbessern, haben die Forscher eine mehrschichtige strukturelle Wärmedämmschicht mit einer relativ komplexen Struktur (Verbundschicht) hergestellt, d. h. auf der Grundlage der doppelschichtigen strukturellen Wärmedämmschicht werden mehrere Schichten Isolier- und Barriereschichten hinzugefügt, im Allgemeinen fünf Schichten. Unter ihnen umfassen die am meisten untersuchten Sperrschichten hauptsächlich Al2O3, NiAl usw. [17]. FENG et al. [18] verwendeten APS, um eine YSZ-Wärmedämmschicht und eine LZ/YSZ-Wärmedämmschicht (La2Zr2O7 / ZrO2-Y2O3-Doppelkeramik-Wärmedämmschicht) herzustellen, und verwendeten eine Laserumschmelztechnologie, um die Schichtoberfläche umzuschmelzen, und führten dann einen Hochtemperaturoxidationstest bei 1 °C durch. Die Ergebnisse zeigen, dass die LZ/YSZ-Doppelkeramik-Wärmedämmschicht im Vergleich zur YSZ-Wärmedämmschicht eine bessere Oxidationsbeständigkeit aufweist. Obwohl die Leistung einer mehrschichtigen Wärmedämmschicht besser ist als die einer zweischichtigen Wärmedämmschicht, sind ihre Struktur und ihr Herstellungsprozess komplexer und ihre Wärmeschockbeständigkeit gering, sodass ihre praktische Anwendung eingeschränkt ist. Daher wird eine Wärmedämmschicht mit Gradientenstruktur entwickelt.
• Die Wärmedämmschicht mit Gradientenstruktur ist durch eine kontinuierliche Gradientenänderung der Zusammensetzung und Struktur entlang der Beschichtungsdicke gekennzeichnet, was zu einer undeutlichen Zwischenschichtgrenzfläche führt. Im Vergleich zu Doppel- und Mehrschichtstrukturen weist die Wärmedämmschicht mit Gradientenstruktur nicht nur eine hervorragende Wärmeschockbeständigkeit auf, sondern zeigt auch eine kontinuierliche Gradientenänderung in der Leistung, sodass sie thermische Spannungsabbaueigenschaften aufweist und in rauen Hochtemperaturumgebungen eingesetzt werden kann. Die wichtigsten thermischen Spritztechnologien für funktional abgestufte Wärmedämmschichten wurden von Herrn überprüft. Obwohl es verschiedene Herstellungsverfahren gibt, ist die Wärmedämmschicht mit Gradientenstruktur in der Praxis aufgrund ihres komplexen Herstellungsprozesses, der schwer kontrollierbaren Strukturkomponenten und der hohen Kosten schlecht.
• Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die doppelschichtige Wärmedämmschicht weit verbreitet ist und das Verfahren ausgereift ist. Sie ist immer noch die bevorzugte Strukturform der Wärmedämmschicht. Die Keramikschicht und die Bindeschicht [20] werden durch thermisches Spritzen auf die Legierungsmatrix aufgebracht. Unter den Bedingungen der Oxidation bei hohen Temperaturen bildet sich nach der Oxidation eine dünne Schicht aus durch Wärme gewachsenem Oxid auf der Oberfläche der Bindeschicht, wie in Abbildung 1 gezeigt. Unter diesen kann die Legierungsmatrix als durch die Wärmedämmschicht geschützte Komponente eine Rolle bei der Aufnahme äußerer mechanischer Belastungen spielen. Ihr Material besteht hauptsächlich aus einer Superlegierung auf Nickelbasis mit hoher Temperatur- und Oxidationsbeständigkeit. Die Rolle der Bindeschicht besteht darin, die Bindekraft zwischen der Keramikschicht und der Legierungsmatrix zu erhöhen. Die Dicke beträgt im Allgemeinen 50 bis 150 µm. Als Material wird üblicherweise MCrAlY (M = Ni/Co/Ni+Co) ausgewählt, dessen Wärmeausdehnungskoeffizienten sich nur geringfügig von der Legierungsmatrix unterscheiden. Thermisches Wachstumsoxid (TGO) ist hauptsächlich eine Art α-Al2O3-Dünnschicht, die sich in einer Hochtemperaturoxidationsumgebung zwischen der Keramikschicht und der Bindungsschicht bildet. Sie hat eine Dicke von 1 bis 10 µm und hat einen großen Einfluss auf die Beschichtung. Die Keramikschicht hat die Funktionen der Wärmeisolierung, Korrosionsbeständigkeit und Schlagfestigkeit [21], die Dicke beträgt üblicherweise 100 bis 400 μm und das Material besteht hauptsächlich aus 6-8YSZ mit geringer Wärmeleitfähigkeit und relativ hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten [22].

Werkstoffe der Wärmedämmschicht

Die Einlasstemperatur der Turbinenschaufel ist eng mit ihrer Arbeitseffizienz verbunden. Nur durch Erhöhen der Einlasstemperatur der Turbinenschaufel kann die Arbeitseffizienz verbessert werden. Mit der Entwicklung von Wissenschaft, Technologie und Industrie steigt jedoch die Arbeitstemperatur der heißen Endteile von Hochleistungsgasturbinen weiter an, und die Grenztemperatur der Turbinenschaufel aus Nickellegierungen beträgt 1150 °C, was bedeutet, dass sie bei höheren Temperaturen nicht mehr arbeiten kann. Daher ist es besonders dringend, Wärmedämmschichtmaterialien mit hervorragenden Eigenschaften zu finden und zu entwickeln. Unter anderem sind die Auswahlbedingungen für Wärmedämmschichtmaterialien im tatsächlichen Prozess strenger, da die Betriebsbedingungen der Wärmedämmschicht sehr schlecht sind. Keramikschichtmaterialien müssen normalerweise eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und einen hohen Schmelzpunkt aufweisen und im Bereich von Raumtemperatur bis Betriebstemperatur keine Phasenumwandlung durchlaufen. Außerdem müssen sie einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, eine hervorragende Wärmeschockbeständigkeit, Sinterbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweisen [24]. Das Material der Bindeschicht muss korrosionsbeständig, oxidationsbeständig, gut haftend und haftfest sein [25-26].

Keramikschichtmaterial

Die harten Einsatzbedingungen der Wärmedämmschicht schränken die Auswahl ihrer Materialien ein. Derzeit sind nur sehr wenige für die praktische Anwendung geeignete Wärmedämmschichtmaterialien verfügbar, hauptsächlich YSZ-Materialien und mit Seltenerdoxiden dotierte YSZ-Materialien.

(1) Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumdioxid

Derzeit sticht ZrO2 unter den keramischen Werkstoffen durch seinen hohen Schmelzpunkt, seine niedrige Wärmeleitfähigkeit, seinen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten und seine gute Bruchzähigkeit hervor. Reines ZrO2 hat jedoch drei Kristallformen: monokline (m) Phase, kubische (c) Phase und tetragonale (t) Phase, und reines ZrO2 unterliegt leicht einer Phasenumwandlung, die zu einer Volumenänderung führt, die sich nachteilig auf die Lebensdauer der Beschichtung auswirkt. Daher wird ZrO2 häufig mit Stabilisatoren wie Y2O3, CaO, MgO und Sc2O3 dotiert, um seine Phasenstabilität zu verbessern. Unter diesen hat 8YSZ die beste Leistung. Es hat eine ausreichende Härte (~ 14 GPa), eine niedrige Dichte (~ 6.4 Mg·m-3), eine niedrige Wärmeleitfähigkeit (~ 2.3 W·m-1 ·K-1 bei 1 °C), einen hohen Schmelzpunkt (~ 000 °C), einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten (2×700-1.1 K-10) und andere hervorragende Eigenschaften. Daher wird es als keramisches Schichtmaterial häufig in Wärmedämmschichtbeschichtungen verwendet.

(2) Seltenerdoxide dotiert YSZ

Wenn YSZ über einen längeren Zeitraum in einer Umgebung über 1 °C arbeitet, kommt es normalerweise zu Phasenübergängen und Sintern. Einerseits wandelt sich die nicht im Gleichgewicht befindliche tetragonale Phase t‘ in eine Mischung aus kubischer Phase c und tetragonaler Phase t um, und während des Abkühlens wandelt sich t‘ in die monokline Phase m um, und der Phasenübergang erfolgt kontinuierlich mit der Volumenänderung, wodurch die Beschichtung schnell abfällt [200]. Andererseits verringert das Sintern die Porosität in der Beschichtung, verringert die Wärmeisolationsleistung und Dehnungstoleranz der Beschichtung und erhöht die Härte und den Elastizitätsmodul, was die Leistung und Lebensdauer der Beschichtung stark beeinflusst. Daher kann YSZ nicht für die nächste Generation von Hochleistungs-Gasturbinentriebwerken eingesetzt werden.

Im Allgemeinen kann die Leistung von YSZ verbessert werden, indem der Stabilisatortyp des Zirkoniumdioxids geändert oder erhöht wird, beispielsweise durch Dotierung von YSZ mit Seltenerdoxiden [28-30]. Es wurde festgestellt, dass die Defektkonzentration umso höher ist, je größer der Radiusunterschied zwischen Zr-Ionen und dotierten Ionen ist, was die Phononenstreuung verbessern und die Wärmeleitfähigkeit verringern kann [31]. CHEN et al. [32] verwendeten APS, um eine keramische Wärmedämmschicht (LGYYSZ) mit La2O3-, Yb2O3- und Gd2O3-co-dotiertem YSZ herzustellen, und ermittelten den Wärmeausdehnungskoeffizienten und die Wärmeleitfähigkeit der Wärmedämmschicht durch Messung und Berechnung und führten einen Wärmezyklustest bei 1 °C durch. Die Ergebnisse zeigen, dass die LGYYSZ-Beschichtung im Vergleich zur YSZ-Beschichtung eine geringere Wärmeleitfähigkeit, eine längere Wärmezykluslebensdauer und eine gute Phasenstabilität bei 400 °C aufweist. Li Jia et al. [1] stellte Gd500O33 und Yb2O3 kodotiertes YSZ-Pulver durch chemische Kopräzipitation her und bereitete eine Gd2O3 und Yb2O3 kodotierte YSZ-Beschichtung durch APS vor und untersuchte den Einfluss unterschiedlicher Oxiddotierungsmengen auf die Stabilität der Beschichtungsphase. Die Ergebnisse zeigen, dass die Phasenstabilität der Gd2O3 und Yb2O3 kodotierten YSZ-Beschichtung besser ist als die der herkömmlichen 2YSZ-Beschichtung. Die Phase m ist nach der Wärmebehandlung bei hoher Temperatur geringer, wenn die Dotierungsmenge niedrig ist, und die stabile kubische Phase wird erzeugt, wenn die Dotierungsmenge hoch ist.

Im Vergleich zu herkömmlichem YSZ weist das neue modifizierte YSZ-Keramikmaterial eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf, wodurch die Wärmedämmschicht eine bessere Wärmedämmleistung aufweist und eine wichtige Grundlage für die Erforschung von Hochleistungs-Wärmedämmschichten bietet. Die Gesamtleistung von herkömmlichem YSZ ist jedoch gut, es wird häufig verwendet und kann nicht durch modifiziertes YSZ ersetzt werden.

Material der Verbindungsschicht

Die Verbindungsschicht ist bei der Wärmedämmschicht sehr wichtig. Außerdem kann die Keramikschicht eng mit der Legierungsmatrix verbunden werden, und die innere Spannung, die durch die abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Beschichtung verursacht wird, kann reduziert werden. Darüber hinaus kann die thermische Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit des gesamten Beschichtungssystems durch die Bildung eines dichten Oxidfilms bei hohen Temperaturen verbessert werden, wodurch die Lebensdauer der Wärmedämmschicht verlängert wird. Derzeit wird für die Verbindungsschicht üblicherweise MCrAlY-Legierung verwendet (M ist je nach Verwendung Ni, Co oder Ni+Co). Darunter wird NiCoCrAlY aufgrund seiner guten Gesamteigenschaften wie Oxidationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit häufig in Hochleistungsgasturbinen verwendet. Im MCrAlY-System werden Ni und Co als Matrixelemente verwendet. Aufgrund der guten Oxidationsbeständigkeit von Ni und der guten Ermüdungsbeständigkeit von Co sind die Gesamteigenschaften von Ni+Co (wie Oxidationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit) gut. Während Cr verwendet wird, um die Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung zu verbessern, kann Al die Oxidationsbeständigkeit der Beschichtung erhöhen und Y kann die Korrosionsbeständigkeit und Temperaturschockbeständigkeit der Beschichtung verbessern.

Die Leistung des MCrAlY-Systems ist ausgezeichnet, es kann jedoch nur für Arbeiten unter 1 °C verwendet werden. Um die Betriebstemperatur zu erhöhen, haben die entsprechenden Hersteller und Forscher umfangreiche Untersuchungen zur Modifizierung der MCrAlY-Beschichtung durchgeführt. Beispielsweise wurde die Leistung der Haftschicht durch Dotierung mit anderen Legierungselementen wie W, Ta, Hf und Zr [100] verbessert. YU et al. [34] sprühten eine Wärmedämmschicht bestehend aus einer Pt-modifizierten NiCoCrAlY-Haftschicht und einer nanostrukturierten 35 Gew. % Yttrium-stabilisierten Zirkonoxid-Keramikschicht (4YSZ) auf die nickelbasierte Superlegierung der zweiten Generation. Das thermische Zyklusverhalten der NiCoCrAlY-4YSZ-Wärmedämmschicht in Luft und die Wirkung von Pt auf die Bildung und Oxidationsbeständigkeit von TGO wurden bei 4 °C untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Modifikation von NiCoCrAlY mit Pt im Vergleich zu Nicocraly-1YSZ die Bildung von α-Al100O4 und die Verringerung der TGO-Wachstumsrate begünstigt und somit die Lebensdauer der Wärmedämmschicht verlängert. GHADAMI et al. [2] stellten eine NiCoCrAlY-Nanokompositbeschichtung durch Überschall-Flammspritzen mit nanoCEO3 her. Die NiCoCrAlY-Nanokompositbeschichtungen mit 36, 2 und 0.5 Gew. % nanoCEO1 wurden mit den herkömmlichen NiCoCrAlY-Beschichtungen verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verbundbeschichtung NICocRALy-2 Gew. % nano-CEO2 eine bessere Oxidationsbeständigkeit, höhere Härte und geringere Porosität aufweist als andere herkömmliche NiCoCrAlY-Beschichtungen und NiCoCrAlY-Nanokompositbeschichtungen.

Derzeit kann neben dem MCrAlY-System auch NiAl als wichtiges Material für Haftschichten verwendet werden. NiAl besteht hauptsächlich aus β-NiAl, das bei Temperaturen über 1 °C eine durchgehende, dichte Oxidschicht auf der Beschichtungsoberfläche bildet und als das vielversprechendste Material für eine neue Generation von Metallhaftschichten gilt. Im Vergleich zu MCrAlY und herkömmlichen β-NiAl-Beschichtungen weisen PT-modifizierte β-NiAl-Beschichtungen eine bessere Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit auf. Allerdings haftet der bei hohen Temperaturen gebildete Oxidfilm schlecht, was die Lebensdauer der Beschichtung erheblich verkürzt. Um die Leistung von NiAl zu verbessern, führten Forscher daher Dotierungsmodifikationsstudien an NiAl durch. Yang Yingfei et al. [200] stellten eine NiCrAlY-Beschichtung, eine NiAl-Beschichtung, eine PT-modifizierte NiAl-Beschichtung und eine Pt+Hf-kodotierte NiAl-Beschichtung her und verglichen die Oxidationsbeständigkeit dieser vier Beschichtungen bei 37 °C. Die endgültigen Ergebnisse zeigen, dass die beste Oxidationsbeständigkeit die mit Pt+Hf kodotierte NiAl-Beschichtung aufweist. Qiu Lin [1] stellte durch Vakuumlichtbogenschmelzen eine NiAl-Blocklegierung mit unterschiedlichem Al-Gehalt und eine β-NiAl-Blocklegierung mit unterschiedlichem Hf/Zr-Gehalt her und untersuchte die Wirkung von Al, Hf und Zr auf die Oxidationsbeständigkeit der NiAl-Legierung. Die Ergebnisse zeigten, dass die Oxidationsbeständigkeit der NiAl-Legierung mit steigendem Al-Gehalt zunimmt und die Zugabe von Hf/Zr zur β-NiAl-Legierung sich zur Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit eignet und die optimalen Dotierungsmengen 100 Atomprozent bzw. 38 Atomprozent betrugen. LI et Al. [0.1] stellten durch galvanische Abscheidung und niedrigaktive Aluminierung eine neue seltenerdmodifizierte β-(Ni, Pt)Al-Beschichtung auf einer Mo-reichen Superlegierung auf Ni0.3Al-Basis her und verglichen die seltenerdmodifizierte β-(Ni, Pt)Al-Beschichtung mit der herkömmlichen β-(Ni, Pt)Al-Beschichtung Isothermes Oxidationsverhalten der Pt)Al-Beschichtung bei 39 °C. Die Ergebnisse zeigen, dass Seltenerdelemente die Oxidationsbeständigkeit der Beschichtung verbessern können.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass MCrAlY- und NiAl-Beschichtungen jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile haben. Daher sollten Forscher weiterhin an Modifikationen auf der Grundlage dieser beiden Beschichtungsmaterialien forschen und nach neuen Materialien für Metallhaftschichten suchen, um die Betriebstemperatur der Wärmedämmschicht für schwere Gasturbinen zu erhöhen.