Forschungsfortschritt und Entwicklungstrend von Schwerlast-Gasturbinen und deren Wärmebarriereschichten (4)

Wichtige Eigenschaften der Wärmschutzbeschichtung von Gasturbinen

Da die Arbeit von Boden-GasTurbinen im Allgemeinen in einer komplexen Umgebung stattfindet und der Wartungszyklus lang ist, kann er bis zu 50.000 Stunden betragen. Daher wird seit einigen Jahren viel Forschung zur Verbesserung der thermischen Barrikadenbeschichtungs-Technologie von GasTurbinen und zur Verlängerung der Lebensdauer der thermischen Barrikadenbeschichtung durchgeführt. Dabei werden wichtige Eigenschaften der thermischen Barrikadenbeschichtung untersucht, wie Wärmedämmung, Oxidationswiderstand, Wärmechocksicherheit und CMAS-Korrosionswiderstand. Während die Forschung zu Wärmedämmung, Oxidationswiderstand und Wärmechocksicherheit relativ umfassend ist, ist der Widerstand gegen CMAS-Korrosion relativ knapp dokumentiert. Gleichzeitig hat sich die CMAS-Korrosion zu einem Hauptversagensmodus von thermischen Barrikadenbeschichtungen entwickelt, was die Entwicklung der nächsten Generation hochleistungsfähiger Gasturbinen behindert. Deshalb wird in diesem Abschnitt zunächst kurz auf die Wärmedämmung, den Oxidationswiderstand und die Wärmechocksicherheit der thermischen Barrikadenbeschichtungen eingegangen, bevor im Abschnitt 4 auf den Forschungsfortschritt bezüglich des CMAS-Korrosionsmechanismus und der Schutztechnologie für thermische Barrikadenbeschichtungen eingegangen wird.

Wärmedämm-Eigenschaft

Mit der Entwicklung der Industrie stellen hochleistungsfähige Gasturbinen höhere Anforderungen an die Turbineneingangstemperatur. Daher ist es sehr wichtig, die Wärmedämmung der thermischen Barrierebeschichtung zu verbessern. Die Wärmedämmung der thermischen Barrierebeschichtung hängt von dem Material, der Struktur und dem Herstellungsprozess der Beschichtung ab. Darüber hinaus wird auch der Einsatzbereich der thermischen Barrierebeschichtung ihre Wärmedämmleistung beeinflussen.

Die Wärmeleitfähigkeit wird im Allgemeinen als Beurteilungsindex für die thermische Isolationsleistung von Wärmedämmbeschichtungen verwendet. Liu Yankuan et al. [48] bereiteten eine 2 mol.% Eu3+ dotierte YSZ-Beschichtung mittels APS zu und verglichen sie mit einer YSZ-Beschichtung. Die Ergebnisse zeigten, dass die Wärmeleitfähigkeit der 2 mol.% Eu3+ dotierten YSZ-Beschichtung geringer war, das heißt, die thermische Isolation der 2 mol.% Eu3+ dotierten YSZ-Beschichtung war besser. Es wurde festgestellt, dass die räumlichen und geometrischen Merkmale der Poren in der Beschichtung einen großen Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit haben [49]. SUN et al. [50] führten eine vergleichende Studie über die Wärmeleitfähigkeit und den Elastizitätsmodul von Wärmedämmbeschichtungen mit unterschiedlichen Porositätsstrukturen durch. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl die Wärmeleitfähigkeit als auch der Elastizitätsmodul der Wärmedämmbeschichtung mit dem Rückgang der Porengröße abnehmen und dass die höhere Porosität die geringere Wärmeleitfähigkeit zur Folge hat. Eine Vielzahl von Studien hat gezeigt, dass im Vergleich zur EB-PVD-Beschichtung die APS-Beschichtung eine bessere thermische Isolation aufweist, da die APS-Beschichtung eine höhere Porosität und eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist [51]. RATZER-SCHEIBE et al. [52] untersuchten den Einfluss der Schichtdicke der EB-PVD PYSZ auf die Wärmeleitfähigkeit und die Ergebnisse zeigten, dass die Schichtdicke der EB-PVD PYSZ ihre Wärmeleitfähigkeit erheblich beeinflusste, das heißt, die Schichtdicke war ebenfalls einer der wichtigsten Faktoren, die die thermische Isolationsleistung der Wärmedämmbeschichtung beeinflussen. Auch die Forschungsergebnisse von Gong Kaisheng et al. [53] zeigen, dass innerhalb des Dickebereichs der tatsächlichen Anwendung die thermische Isolationsleistung der Beschichtung proportional zu ihrer Dicke und zum Temperaturunterschied in der Umgebung ist. Obwohl sich die thermische Isolationsleistung der Wärmedämmbeschichtung mit zunehmender Dicke verbessert, kann es bei weiterem Anwachsen der Beschichtungsdicke zu einem bestimmten Wert leicht zu Spannungskonzentrationen in der Beschichtung kommen, was zu vorzeitigen Versagen führt. Daher sollte, um die thermische Isolationsleistung der Beschichtung zu verbessern und deren Lebensdauer zu verlängern, die Beschichtungsdicke angemessen reguliert werden.

Oxidationsbeständigkeit

Unter der Bedingung hoher Temperaturoxidation bildet sich in der Wärmeisolierschicht leicht eine TGO-Schicht. Der Einfluss von TGO auf die Wärmeisolierschicht [54] hat zwei Seiten: Einerseits kann das gebildete TGO verhindern, dass Sauerstoff weiter nach innen diffundiert, und reduziert so den äußeren Einfluss auf die Oxidation der Legierungsmatrix. Andererseits führt bei kontinuierlichem Verdicken von TGO aufgrund seines hohen Elastizitätsmoduls und des großen Unterschieds zwischen seinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und dem der Klebeschicht auch relativ leicht zu großen Spannungen während des Abkühlungsprozesses, was dazu führen kann, dass die Schicht schnell abfällt. Daher ist es dringend erforderlich, die Oxidationswiderstandsfähigkeit der Schicht zu verbessern, um die Lebensdauer der Wärmeisolierschicht zu verlängern.

XIE et al. [55] untersuchten das Bildungs- und Wachstumsverhalten von TGO, das sich hauptsächlich in zwei Phasen unterteilt: Zunächst entsteht eine dichte α -Al2O3-Film wurde auf der Verbindungsschicht gebildet, und dann wurde ein poröser Gemischoxid zwischen der Keramikschicht und α -Al2O3. Die Ergebnisse zeigen, dass das Hauptmaterial, das zu Rissen im Wärmebarrierschichtsystem führt, das poröse Gemischoxid im TGO ist, nicht α -Al2O3. LIU et al. [56] schlugen eine verbesserte Methode vor, um die Wachstumsrate von TGO durch numerische Analyse der Spannungsentwicklung in zwei Stufen zu simulieren, um das Leben thermischer Barrierschichten genau vorherzusagen. Daher kann die Dicke von TGO effektiv kontrolliert werden, indem man die Wachstumsrate poröser schädlicher gemischter Oxide kontrolliert, um ein vorzeitiges Versagen thermischer Barrierschichten zu vermeiden. Die Ergebnisse zeigen, dass der Wachstum von TGO durch Verwendung einer doppelt keramischen thermischen Barrierschicht, Durchführen des Depositionsschutzes auf der Oberfläche der Schicht und Verbesserung der Dichte der Schichtoberfläche verzögert werden kann, wodurch der Oxidationswiderstand der Schicht bis zu einem gewissen Grad verbessert wird. AN et al. [57] verwendeten die APS-Technologie, um zwei Arten von thermischen Barrierschichten herzustellen: Das Bildungs- und Wachstumsverhalten von TGO wurde durch isotherme Oxidationsversuche bei 1 100 untersucht. ℃ . Das Erste ist eine doppelte keramische Barrierebeschichtung aus YAG/YSZ (DCL TBC) und das Zweite eine einfache keramische Barrierebeschichtung aus YSZ (SCL TBC). Die Forschungsergebnisse zeigen, dass der Bildungs- und Wachstumsprozess von TGO den Gesetzen der Thermodynamik folgt, wie in Abbildung 5 gezeigt: Gemäß den Formeln (1) ~ (8) wird zunächst Al2O3 gebildet, danach oxidiert das Y-Ion und bildet eine extrem dünne Schicht aus Y2O3 auf der Oberfläche des Al2O3-TGOs, wobei sich die beiden zu Y3Al5O12 verbinden. Wenn das Al-Ion auf einen bestimmten Wert reduziert wird, oxidieren andere Metallbestandteile in der Bindeschicht vor und nachher, um gemischte Oxide (Cr2O3, CoO, NiO und Spineloxides usw.) zu bilden, zuerst Cr2O3, CoO, NiO, dann reagieren diese mit (Ni, Co) O und Al2O3, um (Ni, Co) Al2O4 zu bilden. (Ni, Co) O reagiert mit Cr2O3, um (Ni, Co) Al2O4 zu bilden. Im Vergleich zum SCL TBC ist die Bildungs- und Wachstumsrate von TGO im DCL TBC langsamer, daher weist es bessere Hochtemperaturantioxidationseigenschaften auf. Xu Shiming et al. [58] verwendeten Magnetronsputtern, um eine Schicht auf der Oberfläche der 7YSZ-Beschichtung anzubringen. Nach thermischer Behandlung, α -Al2O3 Schicht wurde durch eine in-situ Reaktion erzeugt. Die Studie zeigte, dass die α -Al2O3 Schicht, die sich auf der Oberfläche des Beschichtungsmaterials bildet, die Oxidationsbeständigkeit der Beschichtung verbessern kann, indem sie die Diffusion von Sauerstoffionen verhindert. FENG et al. [59] zeigten, dass das Laserremelten der APS-YSZ-Beschichtungsfläche die Oxidationsbeständigkeit der Beschichtung verbessern kann, hauptsächlich weil Laserremelten die Verdichtung der Beschichtung erhöht und somit das Wachstum der TGO verzögert.

Wärme-Schock-Beständigkeit

Wenn die heißen Endkomponenten von Schwerlast-Gasturbinen in einem Hochtemperaturumfeld im Betrieb sind, erleiden sie oft thermischen Schock aufgrund von schnellen Temperaturänderungen. Daher können Legierungsbestandteile durch die Verbesserung der Wärmebelastbarkeit der thermischen Barrierebeschichtung geschützt werden. Die Wärmebelastbarkeit der thermischen Barrierebeschichtung wird normalerweise durch einen Thermzyklustest (Wärmeschocktest) überprüft, bei dem zunächst eine Zeit lang eine hohe Temperatur eingesetzt wird und dann für die Abkühlung mit Luft/Wasser entfernt wird – dies stellt einen Thermzyklus dar. Die Wärmebelastbarkeit der thermischen Barrierebeschichtung wird durch den Vergleich der Anzahl der Thermzyklen bewertet, die das Material aushält, bevor es versagt. Studien haben gezeigt, dass die Wärmebelastbarkeit von Gradientenstruktur-Thermalbarriereschichten besser ist, hauptsächlich weil die Dicke der Gradientenstruktur-Thermalbarrierschicht klein ist, was den thermischen Spannungen im Beschichtungssystem entgegenwirken kann [60]. ZHANG et al. [61] führten Thermzyklustests bei 1 000 °C durch ℃ Bei den drei Formen von punktförmigen, gestrichelten und rasterförmigen thermischen Barrierebeschichtungen, die durch Laserremelzen der NiCrAlY / 7YSZ thermischen Barrierebeschichtung erhalten wurden, wurde die Wärmechockschutzfähigkeit der gesprühten Proben und der drei Proben mit unterschiedlichen Formen nach der Laseraufbereitung untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Punktschicht die beste Wärmechockschutzfähigkeit aufweist und das thermische Zyklusleben doppelt so lang ist wie bei der Gespritztenprobe. Die Wärmechockschutzfähigkeit der gestrichelten und rasterförmigen Proben ist jedoch schlechter als die der gesprühten Proben, wie in Abbildung 6 gezeigt wird. Darüber hinaus haben zahlreiche Studien ergeben, dass einige neue Beschichtungsmaterialien eine gute Wärmechockschutzfähigkeit aufweisen, wie z.B. SrAl12O19 [62], das von ZHOU et al. vorgeschlagen wurde, LaMgAl11O19 [63] von LIU et al. und Sm2 (Zr0.7Ce0.3) 2O7 [64] von HUO et al. Daher ist es möglich, um die Wärmechockschutzfähigkeit der thermischen Barrierebeschichtung zu verbessern, neben dem strukturellen Design und der Optimierung der Beschichtung auch neue Materialien mit guter Wärmechockschutzfähigkeit zu finden und weiterzuentwickeln.