Πρόοδος της έρευνας και της εξέλιξης των μεγάλων αεριθμίων καυστήρων και των θερμοπροστατικών καλύψεών τους (4)

Βασικές ιδιότητες της θερμικής φράγματος κάλυψης στροβίλου αερίου

Επειδή η λειτουργία των βαρέων αεριού πυρηνικών κινητήρων είναι γενικά σε μια περίπλοκη περιβάλλοντική κατάσταση, και ο κύκλος της διατροφής είναι μεγάλος, μπορεί να φθάσει και τα 50.000 ώρες. Για αυτό, προκειμένου να βελτιωθεί η τεχνολογία θερμικής φραγμού καλύψεων και να επεκταθεί η διάρκεια ζωής της θερμικής φραγμού κάλυψης, τα τελευταία χρόνια οι ερευνητές έχουν διεξαγάγει πολλές μελέτες για τις κύριες ιδιότητες της θερμικής φραγμού κάλυψης, όπως η θερμική απομόνωση, η αντοχή στην οξείδωση, η αντοχή σε θερμικές σοκ και η αντοχή στην διάβρωση από το CMAS. Μεταξύ αυτών, η έρευνα και η πρόοδος στην θερμική απομόνωση, την αντοχή στην οξείδωση και την αντοχή σε θερμικές σοκ είναι σχετικά επαρκείς, αλλά η αντοχή στην διάβρωση από το CMAS είναι σχετικά περιορισμένη. Επίσης, η διάβρωση από το CMAS έχει γίνει ένας από τους κύριους τρόπους αποτυχίας των θερμικών φραγμών κάλυψεων, κωλύοντας την ανάπτυξη της επόμενης γενιάς υψηλής απόδοσης αεριού πυρηνικών κινητήρων. Για αυτό, αυτή η ενότητα πρώτα παρουσιάζει συνοπτικά την θερμική απομόνωση, την αντοχή στην οξείδωση και την αντοχή σε θερμικές σοκ των θερμικών φραγμών κάλυψεων, και στη συνέχεια επικεντρώνεται στην εξέλιξη της έρευνας για το μηχανισμό διάβρωσης από το CMAS και την προστατευτική τεχνολογία των θερμικών φραγμών κάλυψεων στην Τμήμα 4.

Ιδιότητα θερμικής απομόνωσης

Με την ανάπτυξη της βιομηχανίας, υψοκίνητα αεριού πυρηνικά κινητήρια έχουν τοποθετήσει υψηλότερες απαιτήσεις για τη θερμοκρασία εισόδου του τουρμπιν. Για αυτόν τον λόγο, είναι πολύ σημαντικό να βελτιωθεί η θερμική απομόνωση της θερμοπροστασιακής κάλυψης. Η θερμική απομόνωση της θερμοπροστασιακής κάλυψης σχετίζεται με το υλικό, τη δομή και τη διαδικασία παρασκευής της κάλυψης. Επιπλέον, ο χώρος λειτουργίας της θερμοπροστασιακής κάλυψης θα επηρεάσει επίσης τις ικανότητες θερμικής απομόνωσής της.

Η θερμική διαφορά είναι γενικά χρησιμοποιείται ως δείκτης αξιολόγησης για την αποθερμαντική απόδοση των καλύψεων θερμικής φραγμού. Ο Λιού Γιάνκουαν και άλλοι [48] παρέστησαν μια κάλυψη YSZ με 2 mol.% Eu3+ που ενώσει με APS, και σε σύγκριση με την κάλυψη YSZ, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η θερμική διαφορά της κάλυψης YSZ με 2 mol.% Eu3+ ήταν χαμηλότερη, δηλαδή η αποθερμαντική ικανότητα της κάλυψης YSZ με 2 mol.% Eu3+ ήταν καλύτερη. Βρέθηκε ότι οι χώρος και γεωμετρικές παραμέτροι των τρυπών στην κάλυψη έχουν μεγάλη επίδραση στην θερμική διαφορά [49]. Οι Σούν και άλλοι [50] πραγματοποίησαν μια συγκριτική μελέτη για την θερμική διαφορά και τον εlestic modulus των καλύψεων θερμικής φραγμού με διαφορετικές δομές τρυπών. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η θερμική διαφορά και ο elastic modulus της κάλυψης θερμικής φραγμού μειώνονται με τη μείωση του μεγέθους των τρυπών, και ότι όσο υψηλότερη είναι η πορειότητα, τόσο χαμηλότερη είναι η θερμική διαφορά. Πολλές μελέτες έχουν δείξει ότι σε σύγκριση με την κάλυψη EB-PVD, η κάλυψη APS έχει καλύτερη αποθερμαντική απόδοση, επειδή η κάλυψη APS έχει υψηλότερη πορειότητα και χαμηλότερη θερμική διαφορά [51]. Οι Ράτζερ-Σάιμπε και άλλοι [52] μελέτησαν την επίδραση της επιβάρυνσης της κάλυψης EB-PVD PYSZ στην θερμική διαφορά, και τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η επιβάρυνση της κάλυψης EB-PVD PYSZ επηρεάζει σημαντικά την θερμική διαφορά, δηλαδή η επιβάρυνση της κάλυψης είναι επίσης μια από τις σημαντικές παράμετρους που επηρεάζουν την αποθερμαντική απόδοση της κάλυψης θερμικής φραγμού. Τα αποτελέσματα της έρευνας των Γονγκ Κάισενγκ και άλλων [53] δείχνουν επίσης ότι στο διάστημα επιβάρυνσης της πραγματικής εφαρμογής, η αποθερμαντική απόδοση της κάλυψης είναι ανάλογη με την επιβάρυνση και τη διαφορά θερμοκρασίας του περιβάλλοντος. Αν και η αποθερμαντική απόδοση της κάλυψης θερμικής φραγμού ενισχύεται με την αύξηση της επιβάρυνσης, όταν η επιβάρυνση της κάλυψης συνεχίζει να αυξάνεται μέχρι ένα σημείο, είναι εύκολο να προκύψει συγκέντρωση τάσεων στην κάλυψη, προκαλώντας πρόωρη αποτυχία. Επομένως, για να ενισχυθεί η αποθερμαντική απόδοση της κάλυψης και να επεκταθεί η διάρκεια χρήσης της, η επιβάρυνση της κάλυψης πρέπει να ρυθμιστεί λογικά.

Αντοχή στην οξειδωση

Υπό την συνθήκη υψηλής θερμοκρασίας οξειδωτικότητας, είναι εύκολο να δημιουργηθεί μια στρώση TGO στο θερμοαποκωχικό κάλυψη. Η επίδραση του TGO στο θερμοαποκωχικό κάλυψη [54] έχει δύο πλευρές: Αφενός, το δημιουργηθέν TGO μπορεί να κωλύσει το οξυγόνο από να συνεχίσει να διαδίδεται εσωτερικά και να μειώσει την εξωτερική επίδραση στην οξειδωτικότητα της σύγκρισης του αλλοιώματος. Αφετέρου, με τη συνεχή αύξηση του TGO, λόγω της μεγάλης ελαστικής του μονάδας και της μεγάλης διαφοράς μεταξύ του συντελεστή θερμικής διεύρυνσής του και της κολλητικής στρώσης, είναι επίσης σχετικά εύκολο να παράγεται μεγάλη ένταση κατά τη διαδικασία ψύξης, που θα κάνει το κάλυμμα να αποβληθεί γρήγορα. Επομένως, για να επεκταθεί η ζωή του θερμοαποκωχικού κάλυμματος, είναι επείγουσα ανάγκη να βελτιωθεί η αντοχή στην οξειδωτικότητα του κάλυμματος.

Οι XIE και συνεργάτες [55] μελέτησαν τη διαμόρφωση και την ανάπτυξη του TGO, η οποία διαιρείται κυρίως σε δύο στάδια: πρώτα, μια στενή α -Διάφιλμα Al2O3 δημιουργήθηκε στο επισχεδιαστικό στρώμα, και μετά δημιουργήθηκε ένα πορώδες μείγμα διοξειδίων μεταξύ του κεραμικού στρώματος και α -Al2O3. Οι ευρές δείχνουν ότι η κύρια ουσία που προκαλεί σχίσεις στο θερμικό φραγμό είναι το πορώδες μείγμα διοξειδίων στο TGO, και όχι α -Al2O3. Οι LIU και συνεργάτες [56] προτείναν μια βελτιωμένη μέθοδο για να προσομοιάσουν την ταχύτητα αύξησης του TGO μέσω αριθμητικής ανάλυσης της εξέλιξης της τάσης σε δύο στάδια, ώστε να προβλέψουν με ακρίβεια τη ζωή των θερμικών φραγμάτων κάλυψης. Έτσι, η επαρκής ελεγχόμενη πάχνη του TGO μπορεί να ελεγχθεί με τον έλεγχο της ταχύτητας αύξησης των πορώδων κακοποιούντων μεικτών οξειδίων, ώστε να ελαχισθεί η πρόωρη αποτυχία των θερμικών φραγμάτων κάλυψης. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η αύξηση του TGO μπορεί να καθυστερηθεί με τη χρήση διπλών κεραμικών θερμικών φραγμάτων κάλυψης, κατατριπή της προστατευτικής στρώσης στην επιφάνεια της κάλυψης και βελτίωση της πυκνότητας της επιφάνειας της κάλυψης, και η αντοχή στην οξέωση της κάλυψης μπορεί να βελτιωθεί μερικώς. Οι AN και συνεργάτες [57] χρησιμοποίησαν τεχνολογία APS για να παρασκευάσουν δύο τύπους θερμικών φραγμάτων κάλυψης: Η διαμόρφωση και η αύξηση του TGO μελετήθηκαν με ισοθερμικές δοκιμές οξέωσης σε 1 100 ℃ . Ο πρώτος είναι διπλό κεραμικό φάκελος με κάλυψη YAG/YSZ (DCL TBC) και ο δεύτερος είναι μονό κεραμικό φάκελος με κάλυψη YSZ (SCL TBC). Τα αποτελέσματα της έρευνας δείχνουν ότι ο προβληματισμός και η ανάπτυξη του TGO ακολουθούν τους νόμους της θερμοδυναμικής, όπως εμφανίζεται στον Κύκλο 5: Σύμφωνα με τις εξισώσεις (1) ~ (8), σχηματίζεται πρώτα το Al2O3, και μετά η οξείδωση του Y ιόντος σχηματίζει μια εξαιρετικά λεπτή στρώση Y2O3 στην επιφάνεια του Al2O3 TGO, και οι δύο αντιδρούν μεταξύ τους για να σχηματίσουν Y3Al5O12.Όταν ο ιόνας Al μειώνεται σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο, άλλα μετάλλια στοιχεία στο δεσμωτικό στρώμα οξειδώνονται πριν και μετά, σχηματίζοντας μικτά οξείδια (Cr2O3, CoO, NiO και σπινέλιο οξείδια κλπ.), πρώτα σχηματίζοντας Cr2O3, CoO, NiO, και μετά αντιδρούν με (Ni, Co) O και Al2O3 για να σχηματίσουν (Ni, Co) Al2O4. Το (Ni, Co) O αντιδρά με Cr2O3 για να σχηματίσει (Ni, Co) Al2O4. Σε σύγκριση με το SCL TBC, η ανάπτυξη και η αύξηση του TGO στο DCL TBC είναι αργότερη, έτσι ώστε να έχει καλύτερες ιδιότητες υψηλής θερμοκρασίας κατά την αντιοξειδωτική. Ο Χου Σιμινγκ και άλλοι [58] χρησιμοποίησαν μαγνετρον σπατιάδα για να καταθέσουν μια ταινία στην επιφάνεια της κάλυψης 7YSZ. Μετά τη θερμοπραγματοποίηση, α -Η στρώση Al2O3 παράγεται από ενσωματωμένη (in-situ) αντίδραση. Το μελέτημα δείξει ότι η α -Στρώση Al2O3 που δημιουργείται στην επιφάνεια της κάλυψης μπορεί να βελτιώσει την ανθισταματικότητα στην εξοχή της κάλυψης εμποδίζοντας την διάδοση των ιόντων οξυγόνου. Οι FENG και συνεργάτες [59] έδειξαν ότι η λασερική αναπαγκαύση της επιφάνειας της κάλυψης APS YSZ μπορεί να βελτιώσει την ανθισταματικότητα στην εξοχή της κάλυψης, κυρίως επειδή η λασερική αναπαγκαύση μπορεί να βελτιώσει την πυκνότητα της κάλυψης, με αποτέλεσμα να καθυστερεί την αύξηση του TGO.

Αντοχή σε Θερμικό Σοκ

Όταν τα συστατικά της καυσίμης άκρης βαρέων αεροστρόβιλων είναι σε λειτουργία σε υψηλό θερμοκλιμακτήριο περιβάλλον, συχνά υποφέρουν από θερμικό σοκ που προκαλείται από γρήγορη αλλαγή θερμοκρασίας. Για τον λόγο αυτό, τα μετάλλινα κομμάτια μπορούν να προστατεύονται βελτιώνοντας την αντοχή στο θερμικό σοκ της θερμικής φραγμού κάλυψης. Η αντοχή στο θερμικό σοκ της θερμικής φραγμού κάλυψης εξετάζεται γενικά με δοκιμές κύκλων θερμοκρασίας (θερμικό σοκ), κρατώντας τα πρώτα σε υψηλή θερμοκρασία για μια περίοδο και στη συνέχεια αφαιρώντας τα για ψύξη με αέρα/νερό, που είναι ένας θερμικός κύκλος. Η αντοχή στο θερμικό σοκ της θερμικής φραγμού κάλυψης αξιολογείται συγκρίνοντας τον αριθμό των θερμικών κύκλων που εμπνέει η κάλυψη όταν αποτύχει. Μελέτες έχουν δείξει ότι η αντοχή στο θερμικό σοκ της θερμικής φραγμού κάλυψης με δομή διαβάθμισης είναι καλύτερη, κυρίως επειδή η επαρκής διαβάθμιση της θερμικής φραγμού κάλυψης είναι μικρή, που μπορεί να καθυστερήσει την θερμική τάση στην κάλυψη [60]. Ο ZHANG και άλλοι [61] διενήργησαν δοκιμές θερμικών κύκλων σε 1 000 ℃ στις τρεις μορφές των θερμικών φραγμάτων με κάλυψη σε μορφή πόταμου, ράβδου και δικτύου που αποκτούνται με επανήξωση με λέιζερ του θερμικού φραγματικού καλύμματος NiCrAlY / 7YSZ, και μελετήθηκε η αντοχή στο θερμικό σοκ των εξερευνημένων δειγμάτων και των τριών δειγμάτων με διαφορετικές μορφές μετά την λειτουργία με λέιζερ. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το δείγμα με τη μορφή του σημείου έχει την καλύτερη αντοχή στο θερμικό σοκ και η ζωή κατά θερμικούς κύκλους είναι διπλάσια από εκείνη του εξερευνημένου δείγματος. Ωστόσο, η αντοχή στο θερμικό σοκ των δειγμάτων με ράβδους και δικτύου είναι χειρότερη από εκείνη των εξερευνημένων δειγμάτων, όπως εμφανίζεται στον Κύκλο 6. Επιπλέον, μεγάλος αριθμός μελετών έχει δείξει ότι κάποια νέα υλικά καλύμματος έχουν καλή αντοχή στο θερμικό σοκ, όπως το SrAl12O19 [62] που προτάθηκε από τον ZHOU και τους συνεργάτες, το LaMgAl11O19 [63] που προτάθηκε από τον LIU και τους συνεργάτες, και το Sm2 (Zr0.7Ce0.3) 2O7 [64] που προτάθηκε από τον HUO και τους συνεργάτες. Έτσι, για να βελτιωθεί η αντοχή στο θερμικό σοκ του θερμικού φραγματικού καλύμματος, εκτός από την σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση της δομής του καλύμματος, είναι δυνατό να βρεθούν και να αναπτυχθούν νέα υλικά με καλή αντοχή στο θερμικό σοκ.