Η πρόοδος της έρευνας και η τάση ανάπτυξης των αεριοστροβίλων βαρέως τύπου και των επιστρώσεων θερμικού φραγμού τους (4) Ελλάδα

Βασικές ιδιότητες της επίστρωσης θερμικού φραγμού αεριοστροβίλων

Επειδή η εργασία των βαρέων αεριοστροβίλων εδάφους είναι γενικά σε πολύπλοκο περιβάλλον και ο κύκλος συντήρησης είναι μακρύς, μπορεί να φτάσει τις 50,000 ώρες. Ως εκ τούτου, προκειμένου να βελτιωθεί η τεχνολογία επίστρωσης θερμικού φραγμού αεριοστροβίλων και να παραταθεί η διάρκεια ζωής της επίστρωσης θερμικού φραγμού, τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές έχουν πραγματοποιήσει πολλή έρευνα σχετικά με τις βασικές ιδιότητες της επίστρωσης θερμικού φραγμού, όπως θερμομόνωση, αντίσταση στην οξείδωση, Αντοχή σε θερμικό σοκ και αντοχή στη διάβρωση CMAS. Μεταξύ αυτών, η έρευνα και η πρόοδος των επιστρώσεων θερμικού φραγμού στη θερμομόνωση, την αντίσταση στην οξείδωση και την αντίσταση σε θερμικό σοκ είναι σχετικά επαρκής, αλλά η αντίσταση στη διάβρωση CMAS είναι σχετικά σπάνια. Ταυτόχρονα, η διάβρωση CMAS έχει γίνει ένας σημαντικός τρόπος αστοχίας των επιστρώσεων θερμικού φραγμού, εμποδίζοντας την ανάπτυξη της επόμενης γενιάς αεριοστροβίλων υψηλής απόδοσης. Επομένως, αυτή η ενότητα αρχικά εισάγει εν συντομία τη θερμομόνωση, την αντίσταση στην οξείδωση και την αντίσταση θερμικών κραδασμών των επιστρώσεων θερμικού φραγμού και στη συνέχεια εστιάζει στην ερευνητική πρόοδο του μηχανισμού διάβρωσης CMAS και της τεχνολογίας προστασίας των επιστρώσεων θερμικού φραγμού στην Ενότητα 4.

Ιδιότητα θερμομόνωσης

Με την ανάπτυξη της βιομηχανίας, οι αεριοστρόβιλοι υψηλής απόδοσης έχουν προβάλει υψηλότερες απαιτήσεις για τη θερμοκρασία εισόδου του στροβίλου. Επομένως, είναι πολύ σημαντικό να βελτιωθεί η θερμομόνωση της επίστρωσης θερμικού φραγμού. Η θερμομόνωση της επίστρωσης θερμικού φραγμού σχετίζεται με το υλικό, τη δομή και τη διαδικασία προετοιμασίας της επίστρωσης. Επιπλέον, το περιβάλλον εξυπηρέτησης της επίστρωσης θερμικού φραγμού θα επηρεάσει επίσης τις θερμομονωτικές της επιδόσεις.

Η θερμική αγωγιμότητα χρησιμοποιείται γενικά ως δείκτης αξιολόγησης για την απόδοση θερμομόνωσης των επιστρώσεων θερμικού φραγμού. Οι Liu Yankuan et al. [48] ​​παρασκεύασε επίστρωση YSZ με 2 mol.% Eu3+ με APS και σε σύγκριση με την επίστρωση YSZ, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η θερμική αγωγιμότητα της επικάλυψης YSZ με πρόσμιξη 2 mol.% Eu3+ ήταν χαμηλότερη, δηλαδή η θερμομόνωση 2 mol. % Eu3+ ντοπαρισμένη επίστρωση YSZ ήταν καλύτερη. Διαπιστώθηκε ότι τα χωρικά και γεωμετρικά χαρακτηριστικά των πόρων στην επικάλυψη έχουν μεγάλη επίδραση στη θερμική αγωγιμότητα [49]. SUN et al. [50] διεξήγαγε μια συγκριτική μελέτη σχετικά με τη θερμική αγωγιμότητα και το μέτρο ελαστικότητας των επικαλύψεων θερμικού φραγμού με διαφορετικές δομές πόρων. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η θερμική αγωγιμότητα και ο συντελεστής ελαστικότητας της επικάλυψης θερμικού φραγμού μειώνονται με τη μείωση του μεγέθους των πόρων και όσο υψηλότερο είναι το πορώδες, τόσο χαμηλότερη είναι η θερμική αγωγιμότητα. Ένας μεγάλος αριθμός μελετών έχει δείξει ότι σε σύγκριση με την επίστρωση EB-PVD, η επίστρωση APS έχει καλύτερη θερμομόνωση, επειδή η επίστρωση APS έχει υψηλότερο πορώδες και χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα [51]. RATZER-SCHEIBE et al. [52] μελέτησε την επίδραση του πάχους επίστρωσης του EB-PVD PYSZ στη θερμική αγωγιμότητα και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το πάχος επίστρωσης του EB-PVD PYSZ επηρέασε πολύ τη θερμική του αγωγιμότητα, δηλαδή το πάχος της επίστρωσης ήταν επίσης ένα από τα σημαντικοί παράγοντες που επηρεάζουν τη θερμομονωτική απόδοση της επίστρωσης θερμικού φραγμού. Τα αποτελέσματα της έρευνας των Gong Kaisheng et al. [53] δείχνουν επίσης ότι στο εύρος πάχους της πραγματικής εφαρμογής επίστρωσης, η θερμομονωτική απόδοση της επίστρωσης είναι ανάλογη με το πάχος της και τη διαφορά θερμοκρασίας περιβάλλοντος. Αν και η θερμομονωτική απόδοση της επίστρωσης θερμικού φραγμού θα βελτιωθεί με την αύξηση του πάχους, όταν το πάχος της επίστρωσης συνεχίζει να αυξάνεται σε μια ορισμένη τιμή, είναι εύκολο να προκληθεί συγκέντρωση τάσης στην επίστρωση, με αποτέλεσμα την πρόωρη αστοχία. Επομένως, προκειμένου να βελτιωθεί η θερμομονωτική απόδοση της επίστρωσης και να παραταθεί η διάρκεια ζωής της, το πάχος της επίστρωσης θα πρέπει να ρυθμίζεται εύλογα.

Αντοχή στην οξείδωση

Υπό τις συνθήκες οξείδωσης υψηλής θερμοκρασίας, σχηματίζεται εύκολα ένα στρώμα TGO στην επίστρωση θερμικού φραγμού. Η επίδραση του TGO στην επίστρωση θερμικού φραγμού [54] έχει δύο πλευρές: Από τη μία πλευρά, το σχηματιζόμενο TGO μπορεί να εμποδίσει το οξυγόνο από το να συνεχίσει να διαχέεται προς τα μέσα και να μειώσει την εξωτερική επίδραση στην οξείδωση της μήτρας του κράματος. Από την άλλη πλευρά, με τη συνεχή πάχυνση του TGO, λόγω του μεγάλου μέτρου ελαστικότητας και της μεγάλης διαφοράς μεταξύ του συντελεστή θερμικής διαστολής και του συγκολλητικού στρώματος, είναι επίσης σχετικά εύκολο να παραχθεί μεγάλη τάση κατά τη διαδικασία ψύξης, η οποία θα κάνει το η επίστρωση πέφτει γρήγορα. Επομένως, για να παραταθεί η διάρκεια ζωής της επίστρωσης θερμικού φραγμού, είναι επείγον να βελτιωθεί η αντίσταση στην οξείδωση της επίστρωσης.

XIE et al. [55] μελέτησε τον σχηματισμό και τη συμπεριφορά ανάπτυξης της TGO, η οποία χωρίστηκε κυρίως σε δύο στάδια: πρώτον, ένα πυκνό α-Σχηματίστηκε φιλμ Al2O3 στο συνδετικό στρώμα και στη συνέχεια σχηματίστηκε ένα πορώδες μικτό οξείδιο μεταξύ του κεραμικού στρώματος και α-Al2O3. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η κύρια ουσία που προκαλεί ρωγμές στην επίστρωση θερμικού φραγμού είναι το πορώδες μικτό οξείδιο στο TGO, όχι α-Al2O3. LIU et al. [56] πρότεινε μια βελτιωμένη μέθοδο για την προσομοίωση του ρυθμού ανάπτυξης του TGO μέσω αριθμητικής ανάλυσης της εξέλιξης των τάσεων σε δύο στάδια, έτσι ώστε να προβλεφθεί με ακρίβεια η διάρκεια ζωής των επικαλύψεων θερμικού φραγμού. Επομένως, το πάχος του TGO μπορεί να ελεγχθεί αποτελεσματικά ελέγχοντας τον ρυθμό ανάπτυξης των πορωδών επιβλαβών μικτών οξειδίων, έτσι ώστε να αποφευχθεί η πρόωρη αστοχία των επικαλύψεων θερμικού φραγμού. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η ανάπτυξη του TGO μπορεί να καθυστερήσει χρησιμοποιώντας διπλή κεραμική επίστρωση θερμικού φραγμού, εναπόθεση προστατευτικού στρώματος στην επιφάνεια της επικάλυψης και βελτίωση της πυκνότητας της επιφάνειας επίστρωσης και η αντίσταση στην οξείδωση της επίστρωσης μπορεί να βελτιωθεί σε σε κάποιο βαθμό. AN et al. [57] χρησιμοποίησε την τεχνολογία APS για την παρασκευή δύο ειδών επικαλύψεων θερμικού φραγμού: Ο σχηματισμός και η συμπεριφορά ανάπτυξης του TGO μελετήθηκαν με δοκιμές ισοθερμικής οξείδωσης στο 1 100℃. Το πρώτο είναι YAG/YSZ διπλή κεραμική επίστρωση φραγμού (DCL TBC) και η δεύτερη είναι YSZ μονή κεραμική επίστρωση φραγμού (SCL TBC). Τα αποτελέσματα της έρευνας δείχνουν ότι η διαδικασία σχηματισμού και ανάπτυξης του TGO ακολουθεί τους νόμους της θερμοδυναμικής, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5: Σύμφωνα με τον τύπο (1) ~ (8), αρχικά σχηματίζεται Al2O3 και στη συνέχεια η οξείδωση ιόντων Υ σχηματίζει ένα εξαιρετικά λεπτό στρώμα Y2O3 στην επιφάνεια του Al2O3 TGO, και τα δύο αντιδρούν μεταξύ τους για να σχηματίσουν το Y3Al5O12. Όταν το ιόν Al μειώνεται σε μια ορισμένη τιμή, άλλα μεταλλικά στοιχεία στο στρώμα του δεσμού οξειδώνονται πριν και μετά σχηματίζοντας μικτά οξείδια (Cr2O3, CoO, NiO και οξείδια σπινελίου, κ.λπ.), σχηματίζοντας πρώτα Cr2O3, CoO, NiO και στη συνέχεια αντιδρώντας με (Ni, Co) O και Al2O3 για να σχηματίσουν (Ni, Co) Al2O4. (Ni, Co) Το O αντιδρά με το Cr2O3 σχηματίζοντας (Ni, Co) Al2O4. Σε σύγκριση με το SCL TBC, ο σχηματισμός και ο ρυθμός ανάπτυξης του TGO στο DCL TBC είναι πιο αργός, επομένως έχει καλύτερες αντιοξειδωτικές ιδιότητες σε υψηλή θερμοκρασία. Οι Xu Shiming et al. [58] χρησιμοποίησε sputtering magnetron για να εναποθέσει ένα φιλμ στην επιφάνεια της επικάλυψης 7YSZ. Μετά από θερμική επεξεργασία, α-Η στιβάδα Al2O3 δημιουργήθηκε με in-situ αντίδραση. Η μελέτη έδειξε ότι η α- Το στρώμα Al2O3 που σχηματίζεται στην επιφάνεια της επικάλυψης θα μπορούσε να βελτιώσει την αντίσταση στην οξείδωση της επικάλυψης αποτρέποντας τη διάχυση ιόντων οξυγόνου. FENG et al. [59] έδειξε ότι η επανατήξη με λέιζερ της επιφάνειας επικάλυψης APS YSZ μπορεί να βελτιώσει την αντίσταση στην οξείδωση της επίστρωσης, κυρίως επειδή η επανατήξη με λέιζερ μπορεί να βελτιώσει την πύκνωση της επικάλυψης, καθυστερώντας έτσι την ανάπτυξη του TGO.

Αντοχή σε θερμικό σοκ

Όταν τα θερμά εξαρτήματα των αεριοστροβίλων βαρέως τύπου βρίσκονται σε λειτουργία σε περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας, συχνά υφίστανται θερμικό σοκ που προκαλείται από ταχεία αλλαγή θερμοκρασίας. Επομένως, τα εξαρτήματα από κράμα μπορούν να προστατεύονται βελτιώνοντας την αντίσταση θερμικών κραδασμών της επίστρωσης θερμικού φραγμού. Η αντίσταση σε θερμικό σοκ της επίστρωσης θερμικού φραγμού ελέγχεται γενικά με δοκιμή θερμικού κύκλου (θερμικό σοκ), αρχικά διατηρείται σε υψηλή θερμοκρασία για ένα χρονικό διάστημα και στη συνέχεια αφαιρείται για ψύξη αέρα/νερού είναι ένας θερμικός κύκλος. Η αντίσταση σε θερμικό σοκ της επίστρωσης θερμικού φραγμού αξιολογείται συγκρίνοντας τον αριθμό των θερμικών κύκλων που αντιμετωπίζει η επίστρωση όταν αστοχεί. Μελέτες έχουν δείξει ότι η αντίσταση στο θερμικό σοκ της επίστρωσης θερμικού φραγμού δομής κλίσης είναι καλύτερη, κυρίως επειδή το πάχος της επίστρωσης θερμικού φραγμού δομής κλίσης είναι μικρό, γεγονός που μπορεί να καθυστερήσει τη θερμική τάση στην επίστρωση [60]. Οι ZHANG et al. [61] πραγματοποίησε δοκιμές θερμικού κύκλου στα 1 000℃ στις τρεις μορφές επικαλύψεων θερμικού φραγμού σποτ, ραβδώσεων και πλέγματος που ελήφθησαν με επανατήξη με λέιζερ της επίστρωσης θερμικού φραγμού NiCrAlY / 7YSZ και μελέτησε την αντοχή σε θερμικό σοκ των ψεκασμένων δειγμάτων και τριών δειγμάτων με διαφορετικά σχήματα μετά την επεξεργασία με λέιζερ. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το δείγμα κουκκίδας έχει την καλύτερη αντοχή σε θερμικό σοκ και η διάρκεια ζωής του θερμικού κύκλου είναι διπλάσια από αυτή του δείγματος ψεκασμού. Ωστόσο, η αντίσταση σε θερμικό σοκ των δειγμάτων με ρίγες και πλέγμα είναι χειρότερη από αυτή των δειγμάτων ψεκασμού, όπως φαίνεται στο σχήμα 6. Επιπλέον, ένας μεγάλος αριθμός μελετών έχει δείξει ότι ορισμένα νέα υλικά επικάλυψης έχουν καλή αντοχή σε θερμικό σοκ, όπως π.χ. SrAl12O19 [62] που προτείνεται από τους ZHOU et al., LaMgAl11O19 [63] που προτείνεται από LIU et al., και Sm2 (Zr0.7Ce0.3) 2O7 [64] που προτείνεται από τους HUO et al. Επομένως, προκειμένου να βελτιωθεί η αντοχή σε θερμικό σοκ της επίστρωσης θερμικού φραγμού, εκτός από τον δομικό σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση της επίστρωσης, είναι δυνατό να βρεθούν και να αναπτυχθούν νέα υλικά με καλή αντοχή σε θερμικό σοκ.