Uurimisprogress ja arengusuund tugevate gaasiturbiinide ja nende termivärskemikstrate kohta (2)

Kuumesekilmi kaetis

Uurimis taust kuumesekilmi kaetuste kohta

Kuna esimese gaasiturbi edukas arendamine toimus 1920. aastal, on gaasiturb alates siis alati mänginud olulist rolli voolugeenides ja vedrusmasinate valdkonnas. Lisaks sellele on tööstuse tehnoloogia arenemise tõel ka raskeste gaasiturbi tehniline taseme pidevalt tõusnud ning raskeste gaasiturbi effektiivsuse parandamine muutub üha kiiremini vajalikuks. Turbibiisk on üks peamisi komponente raskeste gaasiturbi põlevkonna süsteemis. Turbipuhvri sissemperätsumuse suurenemine võib tõhusalt parandada raskeste gaasiturbi effektiivsust. Seega võivad vastavad uurijad keskenduda turbipuhvri sissemperätsumuse suurendamisele. Tulevikus kasutatavate effektiivsete gaasiturbi töötamisperahtemperatuuri kasvuks rahuldama, pritsitatakse tavaliselt kuumade lõikekomponendid termaalseid takistuskatted.

1953. aastal esitas Ameerika Ühendriikide NASA-Lewis Teadusinstituut esmakordselt termilise takistava kauba mõistete, mis tähendab, et keramikakattest on leetud osade pinnale, mis töötavad kõrgtemperatuuri keskkonnas termilise leekimise tehnoloogia abil, et pakuda soojuse isolatsiooni ja kaitset, vähendada lappude pinna temperatuuri, vähendada mootori kütuse kulutust ning pikendada lappude teenindusaega. Termilise takistava kauba on laialdaselt kasutatud tööstuslikel gaasmootoritel ja õhusõidukite mootoritel (turbiinilappud ja põlekuksüvrid jne) selle eriline omaduste tõttu nagu madal valmistamiskulu ja hea soojuse isolatsioonikaitse ning seda peetakse rahvusvaheliselt tunnustatud tähtsaks tehnoloogiaks raskegaasmootorite tootmiseks.

Süsteemi struktuur termilise takistava kauba jaoks

• Teaduse ja tehnoloogia edenemise kaasaegses maailmas on gaasiturbijnude sissetulekukõrgus üha kõrgemaks muutunud. Parema eraldisvaate tulemuste saavutamiseks keskendub enamik uurimustöid termbaarikatte struktuuri disainimisele, mis näitab piisavalt selgelt termbaarikatte struktuuri tähtsust [14]. Katsudes erinevaid kaatestruktuure, võib need jagada kahekiilme, mitmekiilme ja gradiendi struktuurideks [15].
• Neist hulgas koosneb kaksikkihi termilisest takistuskaastest keramikukihi ja siduvakihi, mis on lihtsaim ja tugevam termilise takistuskaaste struktuur kõigist kaastestruktuuridest ning seda on laialdaselt kasutatud termilise takistuskaaste tehnoloogias. Neist hulgas on laialdaselt kasutatav kaksikkiheline struktuuriline termilise takistusega kaas, mis võtab 6-8 mass% jütri stabiilse tsirkooniakana (6-8YSZ) väliseks keramikukihi materjalina ja MCrAlY (M=Ni, Co, Ni+Co jne.) alloydina metallisiduvakihi materjalina [16]. Siiski on kihi termilise laienemisega seotud erinevused keramikukihi ja metallisiduvakihi vahel, mis võib põhjustada stressi kaases ja kaasaegne kaase varajane lahutumine.
• Et parandada termilise takistuskaubi jõudlust, ettevõttid valmistada mitmetasandilist struktuuri termilist takistustakistusega võrreldes keerulisemaks struktuuriks (liitmaterjalivürsk), st mõned isolatsiooni- ja takistuskihid lisatakse kahekihilise struktuuri termilise takistuskaubi põhjal, tavaliselt viis kihti. Neist uuritakse enamasti peamisi takistuskihte, sealhulgas Al2O3, NiAl jne. [17]. FENG ise ja teised [18] kasutasid APS-i YSZ termilise takistuskaubi ja LZ/YSZ termilise takistuskaubi (La2Zr2O7/ZrO2-Y2O3 kahekihilise keramikatase termilise takistuskaubi) valmistamiseks ning kasutasid laseruuendamistechnoloogiat kaubi pinnale uuesti õhutamiseks ning seejärel toimus kõrgtemperatuuriline oksüdatsioonitestamine 1100℃ korral. Tulemused näitavad, et võrreldes YSZ termilise takistuskaubiga, on LZ/YSZ kahekihilise keramika termilise takistuskaubi oksüdatsioonivastupidavus parem. Kuigi mitmetasandilise termilise takistuskaubi jõudlus on parem kui kahekihilise termilise takistuskaubi, on selle struktuur ja valmistamisprotsess keerulisem ning tema terašokivastupidavus on halbem, seega on see praktikas piiratud rakenduses. Seega tekib gradiendi struktuuriga termiline takistuskaap.
• Gradiendi struktuuriga termilise takistuse kaetis on karakteriseeritud koostise ja struktuuri pideva gradiendi muutuse poolest kaetise paksuse suunas, mis tuleneb sellest, et kihi vaheline piir on ebamäärane. Võrreldes kahekihiliste ja mitmekihiliste struktuuridega on gradiendi struktuuriga termilise takistuse kaetis mitte ainult eriline vastupidavus termilisele jahutusele, vaid näitab ka jõudluse pidevat gradiendi muutust, seega omab see termilise stressi hõlbustamise omadusi ja seda saab rakendada raske keskkonnas kõrgtemperatuurides. Funktsionaalselt gradieeritud termilise takistuse kaetiste peamised termilised pritsimismeetodid tulevad ülevaatamisest, kuid isegi mituvaljundsete valmistamismeetodite olemasolu vaatamata on gradiendi struktuuriga termilise takistuse kaetis praktikas halb, sest selle valmistamisprotsess on keeruline, rakenemise komponentide kontroll on raske ja kulud on kõrge.
• Kokkuvõttes on topeltkihi termilise takistuskaardi kaetis laialdaselt kasutusel ja protsess on tugev, ning see on endiselt eelistatav struktuuri vorm termilise takistuskaardi. Keramiline kiht ja siduvkiht [20] hankitakse ligalimatriksil termilise pritsimiste abil. Kõrge temperatuurioksüdeerumise tingimustes moodustub siduvkihi pinnal oksüdeerumise järelduvalt väike kiht läbikasvanud oksüdiidist (TGO), nagu näidatakse joonisel 1. Ligalimatriks on komponent, mida kaitseb termilise takistuskaart, ja see võib teha tööd välise mehaanilise koormuse kannatamisel, selle materjaliks on peamiselt kõrgtemperatuuril oksüdeerumisest vastu seisvad nikkelipõhised superligandid. Siduvkihi roll on keramika kihi ja ligalimatriksi vahelise siduvjõu tugevdamine, paksus on tavaliselt 50 ~ 150 µm, materjaliks valitakse tavaliselt MCrAlY (M=Ni/Co/Ni+Co), mis on ligalimatriksi termilise laienemiskordaja suhtes vähe erinev. Termiliselt kasvanud oksüdiid (TGO) on peamiselt α-Al2O3 tipmfilm, mis moodustub kõrgetemperatuurilise oksüdeerumiskeskkonna all keramika kihi ja siduvkihi vahel, tema paksus on 1 ~ 10 µm, mis mängib olulist rolli kaardi mõju suhtes. Keramika kiht täidab funktsioone, nagu soojusisolatsioon, korroosioonivastupidavus ja löögi vastupidi [21], paksus on tavaliselt 100 ~ 400 µm, materjaliks on peamiselt 6-8YSZ, mis on madala soojusjuhtivusega ja suuremate termilise laienemiskordaja väärtustega [22].

Termobaarikatte materjalid

Turbiagee põlevus temperatuur on tihedalt seotud selle töö efektiivsusega. Ainult turbineploki põlevus temperatuuri suurendamisega saab parandada tööefektiivsust. Siiski, teaduse ja tehnoloogia edenemise ning tööstuse arengu tõelises protsessis jääb kõrgeenergialiste gaasiturbiine koormatud osade töötemperatuur endiselt tõusujuhtluses, samal ajal aga ei saa nikelipõhiste allüüdide turbiinlattede piirtemperatuuri enam ületada 1150°C. Seetõttu on eriti kiiresti vaja leida ja arendada termilisi takistussidemeid erilistest omadustest. Neist, et termiliste takistussidemete kasutusolud on väga halvad, on tegelikus protsessis materjalide valimise tingimused veelgi rangemad. Keramiikasidemeteriilidel peab olema tavaliselt madal termijuhtivus ja kõrge leigupunkt, nad ei tohi lihtsalt faasimuutusi kogeda ruumtemperatuurist kasutustemperatuurini, samuti on neil vaja kõrget termilist laienemiskordajat, erilist termilist šokki vastu tervendavust, sinterdamise vastu tervendavust ja korroosioonivastust [24]. Liitmaterjalidel peab olema korroosioonivastuvõime,oksüdatsioonivastuvõime, hea lihimõju ja muud omadused [25-26].

Keraamilise kihi materjal

Termibarierikate kõvad teenindustingimused piiravad nende materjalide valikut. Praegu on praktilisele rakendusele sobivaid termibariirikate materiale väga piiratud, peamiselt YSZ materjalid ja retseensidoksididopeeritud YSZ materjalid.

(1) jtriumpoksiid stabiilne tsirkooni

Praegu eristub keramikamaterjalide hulgas ZrO2 oma kõrgest sulas temperatuurist, madalast termijooksust, kõhest termiivälimisega ja heast murdumise vastuseisvast. Siiski on puhtal ZrO2 kolm kristallivormi: monokliiniline (m) faas, kuubiline (c) faas ja tetraoniline (t) faas, ning puhtal ZrO2 on lihtne faaside teisendamine, mis põhjustab ruumaluse muutuse ning mõjutab negatiivselt kaetuse eluiga. Seetõttu stabiilistatakse ZrO2 sageli Y2O3, CaO, MgO ja Sc2O3-ga, et parandada selle faasi stabiilsust. Neist on 8YSZ parim, see omab piisavat kõrkust (~ 14 GPa), madalat tiheust (~ 6,4 Mg·m-3), madalat termijooksust (~ 2,3 W·m-1 ·K-1 1000℃-l), kõrget sulas temperatuurit (~ 2700℃) ja kõrget termiivälimisega (1,1×10-5 K-1) ning muud olulised omadused. Seega kasutatakse sellest keramikamaterjalina laialdaselt termihindade kaetuste puhul.

(2) Haruldusoksiditega dopperdatud YSZ

Kui YSZ töötab pikkajahtsel kõrgemal kui 1200 °C temperatuuril, toimuvad tavaliselt faasiseisundmuutused ja sinterdamine. Ühest küljest muutub mittevõrdsuslik nelinurkne faas t' kuubseks faasi c ja nelinurgseks faasiks t ning jahutamisel muutub t' monokliinseks faasiks m, toimumaks pidevalt faasiseisundmuutus koos ruumala muutusega, mis võib kiirelt kaotada kaetist [27]. Teisest küljest vähendab sinterdamine kaetise poroositust, vähendab kaetise termoisolatsiooni ja deformatsioonitolerantsust ning suurendab koonduvust ja elastset moodulit, mis mõjutab oluliselt kaetise omadusi ja eluiga. Seega ei saa YSZ rakendada järgmise põlvkonna raskete gaasiturbiinimoottorite puhul.

Üldiselt võib YSZ jõudlust parandada zirkooni stabiilijate liigi muutmisega või suurendamisega, nagu näiteks meetod harvailmsete oksüdiidega YSZ doppiamise kasutamine [28-30]. On leitud, et suurema raadiuse erinevusega Zr ioonide ja doppiatud ioonide vahel on kõrgem defektide tihedus, mis võib parandada fonoonide hajumist ja vähendada termikandlikkust [31]. CHEN ja teised [32] kasutasid APS-i lämmastussuhtlase keramikakihise (LGYYSZ) valmistamiseks, millesse on ko-doppiatud La2O3, Yb2O3 ja Gd2O3 YSZ-ga, ning mõõdeti ja arvutati lämmastussuhtlase keramikakihise termilist laienemiskordajat ja termikandlikkust ning tehti termitsükli test 1400℃ temperatuuril. Tulemused näitavad, et võrreldes YSZ-kihisega on LGYYSZ-kihisel madalam termikandlikkus, pikem termitsükli eluiga ja hea faasistabiliiteet 1500℃ temperatuuril. Li Jia ja teised [33] valmistasid Gd2O3 ja Yb2O3 ko-doppiatud YSZ-pulberi keemilise ko-sedimenteerimismeetodiga ja valmistasid Gd2O3 ja Yb2O3 ko-doppiatud YSZ-kihise APS abil ning uuriti erinevate oksüdiide doppiamismääradena kihise faaside stabiilsuse mõju. Tulemused näitavad, et Gd2O3 ja Yb2O3 ko-doppiatud YSZ-kihise faaside stabiilsus on parem kui traditsioonilise 8YSZ-kihise. Faas m on väiksem pärast kõrge temperatuuri all toimuva külmprotsessi madalas doppiamismääras, samas kui kõrge doppiamismääras tekib stabiilne kuubiline faas.

Võrreldes traditsioonilise YSZ-ga, on uue muudetud YSZ keramikamaterjalil madalam termikaasutus, mis võimaldab termetiivkatestrikale paremat isolatsiooni omadust, samuti pakub see olulist aluseks kõrge jõulisusega termetiivkastrimistu uurimiseks. Siiski on traditsioonilise YSZ kompleksne jõudlus hea, see on laialdaselt kasutatav ja seda ei saa ühtegi muudetud YSZ-ga asendada.

Sidematerjal

Liitmikkerak on termaalse kogukera koostis esmatähtis. Lisaks võib keramikakerat lihtsasti siduda hapnikumaaegisega ning vähendada keraka sisesiduspanet, mis tekib termiseirekordi seose tõttu. Samuti võib termaalset korroosioonivastustuse ja oksüdatsioonivastustuse täieliku keraka süsteemi parandada, moodustades tihe oksüdi film kõrgeltemperatuuril, mis pikendab termaalse kogukera eluiga. Praegu kasutatakse liitmikkeraks tavaliselt MCrAlY-liitmet (M on Ni, Co või Ni+Co, sõltuvalt kasutusest). Neist on NiCoCrAlY laialdaselt kasutatud rasketes gaasiturbiinides tõttu oma hea üldomadustele, nagu oksüdatsioonivastuvõime ja korroosioonivastuvõime. MCrAlY-süsteemis kasutatakse Ni ja Co maatriksielementideks. Tõttu Ni heale oksüdatsioonivastuvõimele ja Co heale väsimusvastuvõimele on Ni+Co (nagu oksüdatsioonivastuvõime ja korroosioonivastuvõime) omadused head. Cr kasutatakse keraka korroosioonivastuvõime parandamiseks, Al võib suurendada keraka oksüdatsioonivastuvõimet ja Y võib parandada keraka korroosioonivastuvõimet ja termishookimisvastuvõimet.

MCrAlY süsteemi jõudlus on suurepärane, kuid seda saab kasutada ainult töö temperatuuridel allpool 1100℃. Et tõsta kasutustemperatuuri, on seotud tootjad ja uurijad teinud palju uuringuid MCrAlY kaaste muutmise kohta. Näiteks lisatakse teisi ligendielemente nagu W, Ta, Hf ja Zr [34], et parandada sideme kihi jõudlust. YU ja teised [35] puhutasid termiväriliku eristkaarti, mis koosneb Pt-ligenditud NiCoCrAlY sideme kihist ja nanostruktuurilisest 4 kaaluprotsenti yttriumpüritsetatud siinna (4YSZ) keramikukihist, teise põlvkonna nikkelipõhisele superliigale. Uuriti NiCoCrAlY-4YSZ termivärilise eristkaardi termotsükli käitumist õhus ja Pt mõju TGO vormimisele ningoksidasioonivastusele temperatuuril 1100℃. Tulemused näitavad, et võrreldes Nicocraly-4YSZ-ga on NiCoCrAlY Pt-ligendimine kasulik α-Al2O3 vormimiseks ja TGO kasvukiiruse vähendamiseks, mis pikendab termivärilise eristkaardi eluiga. GHADAMI ja teised [36] valmistasid supersonic flammi puhutusega NiCoCrAlY nanokomposiitkihi, milles on nanoCEO2. NiCoCrAlY nanokomposiitkihid sisaldavad 0,5, 1 ja 2 kaaluprotsenti nanoCEO2 ning need võrreldi traditsiooniliste NiCoCrAlY kihtidega. Tulemused näitavad, et NICocRALy-1 kaaluprotsenti nano-CEO2 komposiitkiht on paremoksidasioonivastuseline, kõrgem kõvaus ja madalam poroossus kui teised traditsioonilised NiCoCrAlY kihtid ja NiCoCrAlY nano-komposiitkihid.

Praegu saab MCrAlY süsteemi kõrgele lihtrikkale lisaks kasutada ka NiAl-i, mis on peamiselt β-NiAl-ga koosnev ja vormib üle 1200°C temperatuuridel puhastest oksüdiididest mittekatkuseks kihtega. Seda tunnistatakse uue generaatsiooni metallilhtrikade potentsiaalseks kandidaadiks. Võrreldes MCrAlY ja traditsioonilise β-NiAl kihi PT-muundatud β-NiAl-kihiga, on viimase lainekevastus ja korroosioonivastus paremad. Kuid kõrgtemperatuuril moodustatud oksüdiidi kiht on halbalt lihimine, mis suurendab oluliselt kihi eluaja lühendamist. Seetõttu teostasid uurijad NiAl-i toitumisega seotud muunduste uurimisi. Yang Yingfei jt. [37] valmistas NiCrAlY-kihti, NiAl-kihti, PT-muundatud NiAl-kihti ja Pt+Hf koosmuundatud NiAl-kihti ning võrdles nende nelja kihi lainekevastust temperatuuril 1100°C. Lõpptulemused näitasid, et parim lainekevastus oli Pt+Hf koosmuundatud NiAl-kihil. Qiu Lin [38] valmistas erineva Al sisaldusega NiAl-plokialaite ja erineva Hf/Zr sisaldusega β-NiAl-plokialaite vakuumse varksegudes ning uuris Al, Hf ja Zr mõju NiAl-liitide lainekevastusele. Tulemused näitasid, et NiAl-liidide lainekevastus suurenes Al sisaldusega, samuti aidatas Hf/Zr lisamine β-NiAl-liidde lainekevastuse parandamisel, optimaalsed toitumissisaldused olid vastavalt 0,1 at.% ja 0,3 at.%. LI jt. [39] valmistas uut haruldasede muundatud β-(Ni, Pt) Al-kihti Mo-rikkalise Ni2Al-põhiliitidele elektrodepositsiooniga ja madala aktiivsusega aluminiseerimistehteel ning võrdles haruldasedega muundatud β-(Ni, Pt) Al-kihti traditsioonilise β-(Ni, Pt) Al-kihi jaoks. Isohookest lainekevastus käitumine Pt) Al-kihil temperatuuril 1100°C. Tulemused näitasid, et haruldased elemendid võivad parandada kihi lainekevastust.

Kokkuvõttes on MCrAlY ja NiAl kaetused oma eeliste ja puudustega, seega peaksid uuringute tegevad jätkama muundluste uurimist need kaks kaetuse materjali alusel, otsides välja uute metallside sidumiskihi materjalide arendamiseks, et kitsliku gaasiturbini külmekaitsekaetuse teenindussuhkur oleks võimalikult kõrgem.