Uurimisprogress ja arengusuund tugevate gaasiturbiinide ja nende termivärskemikstrate kohta (4)

Peamised omadused kaas turbiini lämmastikkaartega

Kuna maaülevalt töötavate suurte gaasiturbiinide töötingimused on tavaliselt keerulised ja hoolduscyklus pikk, võib see jõuda kuni 50 000 tunnini. Seetõttu on viimastel aastatel teadlased teinud palju uurimusi termivärskikatte olulistest omadustest, nagu külmendamine,oksüdaatio vastupidavus, termishookide vastupidavus ja CMAS-korrosioonivastane võime, et parandada gaasiturbiini termivärskikatte tehnoloogiat ja pikendada selle teenindusaega. Kuigi termivärskikatte kuumas isolatsiooni, oksüdaatio vastupidavuse ja termishookide vastupidavuse osas on tehtud piisavalt uurimisi, on nende vastuvõtmise korosioonivastase võime kohta vaid vähe infot. Samal ajal on CMAS-korosioon muutunud peamiseks ebaõnnestumismoodiks termivärskikattede jaoks ning takistab järgmise põlvkonna kõrgejärgluste gaasiturbiinide arendamist. Seepärast esitatakse selles jaotises esmalt lühidalt termivärskikatte kuumas isolatsiooni, oksüdaatio vastupidavuse ja termishookide vastupidavuse kohta, pärast seda keskendub neljandal jaotisel termivärskikatte CMAS-korosioonimehhanismide ja kaitsetehte edenemisele.

Kuumisolaatsioonimahutus

Tööstuse arenguga on kõrge jõudlusega gaasiturbiinidel esitanud ülemiste nõuded turbiini sissetemperatuurile. Seega on väga oluline parandada termosaalisatiivärsketega kasutatava kauba kuumisolaatsiooni. Termosaalisatiivärsketega kaubade kuumisolaatsioon on seotud kauba materjaliga, struktuuriga ja valmistamisprotsessiga. Lisaks mõjutab termosaalisatiivärsketega kauba teeninduskeskkond ka tema kuumisolaatsioonimahutust.

Termikandjusega seotud hindamiskriteeriumina kasutatakse tavaliselt termihülvekoatingute termiseksionaalsuse hinnangus. Liu Yankuan jne [48] valmistas APS meetodil 2 mol.% Eu3+ doperdatud YSZ-kaatingut ja võrrelid seda YSZ-kaatinguga, näitades, et 2 mol.% Eu3+ doperdatud YSZ-kaatingu termikandjus on madalam, st selle termiseksionaalne omadus on parem. On leitud, et kaatingu poreede ruumilised ja geomeetrilised omadused mõjutavad oluliselt termikandjust [49]. SUN jne [50] tegelesid erinevate poreedstruktuuridega termihülvekaatingute termikandjuse ja elastsete moodulite võrdlemise uurimisega. Tulemused näitavad, et termihülvekaatingu termikandjus ja elastne moodul väheneb poreede suuruse vähendamisel ning kui poreetsus on kõrgem, siis on termikandjus madalam. Paljud uuringud on näidanud, et võrreldes EB-PVD-kaatingut APS-kaatinguga, on viimane termiseksionaalselt parem, kuna see on poreetsuselt kõrgem ja termikandjuselt madalam [51]. RATZER-SCHEIBE jne [52] uurisid EB-PVD PYSZ-kaatingu paksuse mõju tema termikandjusele ning tulemused näitasid, et EB-PVD PYSZ-kaatingu paksus mõjutab oluliselt tema termikandjust, st kaatingu paksus on üks olulistest teguritest, mis mõjutavad termihülvekaatingu termiseksionaalseid omadusi. Gong Kaishengi jne [53] uuringutulemused näitavad samuti, et tegeliku kaatingu rakendamispiirkonna paksusranges on kaatingu termiseksionaalne omadus proportsionaalne tema paksuse ja keskkonna temperatuuri erinevusega. Kuigi termihülvekaatingu termiseksionaalne omadus muutub parem paksuse suurenemisega, võib jätkuvalt suurenenud paksuse korral esineda stressipunktidesse kaatingus, mis võib põhjustada varajast ebaõnnestumist. Seega peaks kaatingu paksust reguleerima õigesti, et parandada tema termiseksionaalset omadust ja pikendada selle teenindusaega.

Oksidatsioonivastupidavus

Kõrge temperatuuri oksidatsiooni tingimustel moodustub kuumahävituse kaitsesüsteemis hõlpsasti TGO kiht. TGO mõju kuumahävituse kaitsesüsteemile [54] on kahepoolne: ühest küljest võib moodustunud TGO takistada hapniku edasi sisendumist ja vähendada väliseid mõjusi ligasideringu oksidatsioonile. Teisalt, pideva TGO paksustumise tõel, tema suure elastaatilise mooduli tõttu ja selle tera laiendumiskordaja suure erinevuse tõttu lihimigale, tekib kahtlaselt suur stress jälgitava jahutamisprotsessi ajal, mis võib tekitada kaitsesüsteemi kiire kaotumise. Seega on oluline parandada kaitsesüsteemi oksidatsioonivastupidavust, et pikendada selle eluiga.

XIE ning teised [55] uurisid TGO moodustumist ja kasvu käitumist, mis jaguneb peamiselt kaheks staadiksse: esmalt, tihe α -Al2O3 kiht moodustus põhikihel, ja seejärel moodustus poroosne segakivioksüd vahelas keramikakihi ja α -Al2O3. Tulemused näitavad, et peamine aine, mis põhjustab sprindisid termaalbarjäärikaes, on poroosne segakivioksüd TGO-s, mitte α -Al2O3. LIU et al. [56] esitasid parandatud meetodi, mis võimaldab simuleerida TGO kasvu kiirust numbrilise analüüsi abil pingete evolutsiooni kahe tasandi korral, et täpselt ennustada termivärkvara eluiga. Seega saab TGO paksust efektiivselt kontrollida vähkeste hõõrandikega segamiste kasvu kiiruse kontrollimisega, et vältida termivärkvara varasemat tõusu. Tulemused näitavad, et TGO kasvu saab edasi lükata kasutades dubleeritud keramiklist termivärkvarat, kaitsekihi deponeerimist värkvara pinnale ja värkvara tihtsuse parandamist, mis parandab värkvara oksüdaatsust vastupidavust mõnes ulatuses. AN et al. [57] kasutasid APS tehnoloogiat kahe erineva termivärkvara valmistamiseks: TGO moodustumise ja kasvu käitumist uuriti 1100°C-isoteermalsete oksüdaatsusproovide abil. ℃ . Esimene on YAG/YSZ dubleeritud keramiklik katel (DCL TBC) ja teine on YSZ ühekeramiklik katel (SCL TBC). Uurimustulemused näitavad, et TGO vormimise ja kasvumise protsess järgib termodünaamika seadusi, nagu on näha joonisel 5: Valemite (1) ~ (8) kohaselt moodustub esmalt Al2O3, seejärel vormib Y-ioonioksüdatus väga tipu kihtu Y2O3 Al2O3 TGO pinnal ning need kaks reageerivad omavahel, et moodustada Y3Al5O12. Kui Al-ioon väheneb kindeni väärtuseni, oksüdeeruvad muud metallielementid sidemeigis enne ja pärast segatud oksüiidide (Cr2O3, CoO, NiO ja spinielioksüiidid jne) moodustamist, esmalt Cr2O3, CoO, NiO, siis reageerivad need (Ni, Co) O ja Al2O3, et moodustada (Ni, Co) Al2O4. (Ni, Co) O reageerib Cr2O3-ga, et moodustada (Ni, Co) Al2O4. Võrreldes SCL TBC-ga, on TGO moodustumise ja kasvumise kiirus DCL TBC-s aegsam, nii et see omab paremaid kõrgetemperatuurioksüdaantõkkeomadusi. Xu Shiming jt [58] kasutasid magnetroonse sputterdamise meetodit, et kaasa tuua filmit 7YSZ katelil pinnal. Pärast külmekorraldust, α -Al2O3 kiht moodustus in-situ reaktsiooniga. Uurimus näitas, et α -Al2O3 kiht, mis moodustus puhvristamise pinnal, suutis parandada puhvristamiseoksidi tõhusust takistades hapnikiioneid. FENG ja teised [59] näitasid, et APS YSZ puhvristamise pinnale lazerse uuestumise rakendamine võib suurendada puhvristamiseoksidi tulekahju vastupanuvõimet, peamiselt seetõttu, et lazerne uuestumine võib suurendada puhvristamise tihtmoodustust ning nii edasi TGO kasvu.

Tulekahju vastupanuvõime

Kui põhjasoovete gaasiturbiinide kuumate osade komponendid on kõrge temperatuuri keskkonnas töös, kannatavad need sageli termilist šokki, mis põhjustatakse kiire järgi muutuva temperatuuriga. Seetõttu võivad ligavaid osi kaitsta parandades termilise šoki vastupidavust termilise barjärikastriga. Termilise šoki vastupidavus termilise barjärikastril testitakse tavaliselt termilise tsüklituse (termiline šok) testimisega, kus see hoidetakse esmalt kõrge temperatuurile mõne aja jooksul ja seejärel eemaldatakse õhu/voodi jälgimiseks, mis moodustab ühe termilise tsükli. Termilise šoki vastupidavust termilise barjärikastril hindatakse võrreldes termiliste tsüklite arvu, mida kastr läbib enne oma nurumist. Uurimused on näidanud, et gradiendi struktuuriga termilise barjärikastril on parem vastupidavus termilisele šokkile, peamiselt seetõttu, et gradiendi struktuuriga termilise barjärikastril on väiksem paksus, mis võib lülitada tagasi termilised stressid kastris [60]. ZHANG ja teised [61] tehakse termilisi tsükleidest 1 000 ℃ kolme vormi kohta - punkt, jupp ja võrgustik - termivärise kattega, mida on saadud NiCrAlY / 7YSZ termivärise katte laseruuestehtud remeltzimisega ning uuritud spetsiemenete termilist šokki vastupidust ning kolme erineva kujuga näidiste vastupidust laseritsetusest pärast. Tulemused näitavad, et punktinäideel on parim termiline šoki vastupidus ja selle termitsükli eluiga on kaks korda pikem kui spetsimenel. Siiski on juppi- ja võrgustikunäidete termilise šoki vastupidus halvem kui spetsimendel, nagu näidatakse joonisel 6. Lisaks on paljud uurimused näidanud, et mõned uued kattematerjalid on hea termilise šoki vastupidus, nagu näiteks SrAl12O19 [62], mida esitas ZHOU jt., LaMgAl11O19 [63], mida esitas LIU jt., ja Sm2 (Zr0.7Ce0.3) 2O7 [64], mida esitas HUO jt. Seega, et parandada termivärise katte termilist vastupidust, on võimalik lisaks katte struktuuri disainimisele ja optimeerimisele leida ja arendada uusi materiale, mis on hea termilise šoki vastupidus.