Tutkimus edistymisestä ja kehityksessä suurista kaasuturbiineista ja niiden lämpöestevyyspeiteistä (2)

Lämpöesteiden peite

Tutkimustiedot lämpöesteiden peitteistä

Ensimmäisen kaasuturbiinin menestyneen kehittämisen jälkeen vuonna 1920 kaasuturbiini on aina ollut keskeinen tekijä voimantuotannossa ja ajossa. Lisäksi teollisen teknologian kehittyessä raskaiden kaasuturbiinien tekninen taso paranee jatkuvasti, ja kuinka raskaiden kaasuturbiinien tehokkuutta voidaan parantaa muuttuu yhä kiireellisemmäksi. Turbiiniliekki on yksi raskaan kaasuturbiinien polttojärjestelmän tärkeistä komponentteista. Turbiinin saapumislämpötilan nostaminen parantaa tehokkuutta tehokkaasti. Siksi tutkijat voivat keskittyä turbiinin saapumislämpötilan nostamiseen. Tulevaisuuden tehokkaiden kaasuturbiinien kasvavaa toimintalämpötilan vaatetta varten lämpöesteiden peitteet usein hahmotetaan kuumojen osien pintaan.

Vuonna 1953 käsite termodynaminen estepeite esitettiin ensimmäisen kerran NASA-Lewis -tutkimuslaitoksessa Yhdysvalloissa [13], mikä tarkoittaa, että keramiikkapeite hahmotetaan osien pintaan, jotka toimivat korkean lämpötilan ympäristössä termodyynaamisen hahmotuksen avulla, jotta se tarjoaa lämpöisolaation ja suojan, vähentää läppäimen pintalämpötilaa, vähentää moottorin polttoaineenkuljetusta ja pidennää läppäimen käyttöelämää. Termodynaminen estepeite on saanut laajaa soveltamisaluetta teollisten kaasuturbiinien ja ilmatorjunta-ohjusten kuumaosissa (turbiiniläppäimet ja polttokamarat jne.) sen erinomaisista ominaisuuksista, kuten alhaisesta valmistuskustannuksesta ja hyvästä lämpöisolaatiosta, ja se tunnustetaan kansainvälisesti raskaan kaasuturbiinien valmistuksen etujärjestelmänä.

Järjestelmän rakenne termodynaminen estepeite

• Tieteellisen edistyksen ja teknologian kehittymisen myötä kaasuturbiinien saapumislämpötila nousee yhä korkeammaksi. Parempaa lämpöisolointia saavuttaakseen lämpöesteikkauksen avulla, useimmat maailman tutkimukset keskittyvät lämpöesteikkauksen rakenteen suunnitteluun, mikä osoittaa tarpeeksi lämpöesteikkauksen rakenteen tärkeyttä [14]. Erilaisten peittojen rakenteiden mukaan ne voidaan jakaa kaksikerroksiseksi, monikerroksiseksi ja gradienttirakenteeksi [15].
• Heittäen katseemme yli ne, kahdenkerroksinen lämpöisolointikorvaukset, jotka koostuvat keramiikkakerroksesta ja liitoskerroksesta, ovat yksinkertaisimpia ja kehittyneempiä lämpöisolointikorvauksia kaikissa korvausrakenteissa, mikä on johtanut siihen, että niitä käytetään laajasti lämpöisolointitekniikoissa. Niistä suosituin kahdenkerroksinen lämpöisolointikorvaus käyttää 6 wt.% ~ 8 wt.% ittriasta stabilisoitua sytykkia (6-8YSZ) ulkoisen keramiikkakerroksen materiaalina ja MCrAlY (M=Ni, Co, Ni+Co jne.) -lehteä metalliliitoskerroksen materiaalina [16]. Kuitenkin, koska keramiikkakerroksen ja metalliliitoskerroksen välillä on erilaisuus lämpölaajentumiskertoimessa, se voi helposti aiheuttaa stressin korvaustasossa ja johtaa korvaustason varhaiseen irtoamiseen.
• Jotta termisen estekeksen suorituskyky parannettaisiin, tutkijat valmistivat useamman kerroksen rakenteen termineseen estekeksen melko monimutkaisella rakenteella (yhdistelmäestekeksellä), eli useita eristys- ja estekeksien kerroksia lisätään kaksikerroksisen rakenteen termineseen estekeksen perusteella, yleensä viisi kerrosta. Niistä tutkittuimmat estekeksien kerrokset sisältävät pääasiassa Al2O3, NiAl jne. [17]. FENG ja kollegat [18] käyttivät APS:ää YSZ termineseen estekeksen ja LZ/YSZ termineseen estekeksen (La2Zr2O7 / ZrO2-Y2O3 kaksikerroksinen keramiikkakerros termekeksellä) valmistamiseen, ja käyttivät laserisulatus-tekniikkaa estekeksen pinnan uudelleensulamiseen, ja sen jälkeen suorittivat korkealämpötilainen oksidointitesti 1 100℃:ssa. Tulokset näyttävät, että verrattuna YSZ termineseen estekekleen, LZ/YSZ kaksikerroksinen keramiikkatermineen estekeksellä on parempi oksidointiresistanssi. Vaikka useamman kerroksen termekeksen suorituskyky on parempi kuin kaksikerroksisen termekeksen, sen rakenne ja valmistusprosessi ovat monimutkaisempia, ja sen lämpöshokkiresistanssi on heikompaa, joten sen käyttö on rajoitettua käytännössä. Siksi gradienttirakenteinen termekeksentulee olemaan.
• Vaihtoehtoisen rakenteen lämpöestevykerakennus on merkittynä siihen, että sen yhdisteiden ja rakenteiden jatkuva muutos tapahtuu paksuuden suuntaisesti, mikä johtaa epämääräiseen kerrosrajoihin. Vertailussa kahden- tai monikerroksisten rakenteiden kanssa, vaihtoehtoinen rakennelma ei vain tarjoa erinomaista lämpökytkentävastustusta, vaan myös näyttää jatkuvaa muutosta ominaisuuksissa, mikä tekee siitä lämpöjännitysten helpottajana ja mahdollistaa käytön raskaissa korkealämpöympäristöissä. Toiminnallisesti graduoidun lämpöestevykerakenteen pääasialliset termovaljontateknologiat tarkasteltiin herra:n toimesta. Vaikka valmistusmenetelmiä on monia, käytännössä vaihtoehtoinen rakennelma on huono, koska sen valmistusprosessi on monimutkainen, rakennemuuttujien hallinta vaikea ja se on korkea hintaan.
• Yhteenvetona voidaan todeta, että kaksikerroksinen termistekilpailukerros on laajosti käytössä ja sen valmistusprosessi on kypsä, ja se on edelleen ensisijainen rakennemuoto termistekilpailukerroksille. Keramikkikerros ja liitoskerros [20] kerroostetaan allekkeismatriisiin termikilpailutekniikalla. Korkealämpötilaisuuden oksidoinnin aikana muodostuu ohut lämpökasvaneen oksidi (TGO) liitoskerroksen pinnalla oksidoinnin jälkeen, kuten kuva 1 näyttää. Niistä huolimatta toimii allekkeismatriisi komponenttina, jota suojaa termistekilpailukerros, ja se voi tehdä töitä ulkoisten mekaanisten kuormien kannustamiseksi, ja sen materiaali on pääasiassa korkealämpötilaisuuteen ja oksidointiin vastustava nikkelipohjainen superleiki. Liitoskerroksen rooli on vahvistaa liitosvoimaa keramikkikerroksen ja allekkeismatriisin välillä, paksuus on yleensä 50 ~ 150 µm, ja materiaalia valitaan yleensä MCrAlY (M=Ni/Co/Ni+Co), jolla on pieni ero matriisin termiasumokerroksen kanssa. Termikasvaneesta oksidista (TGO) on pääasiassa α-Al2O3-ohut elokuva, joka muodostuu keramikkikerroksen ja liitoskerroksen välillä korkealämpötilaisuuden oksidointiympäristössä, jonka paksuus on 1 ~ 10 µm, mikä vaikuttaa merkittävästi kerrokseen. Keramikkikerroksella on ominaisuuksia, kuten lämpöisolointi, korrosiokestävyys ja vaikutuskestävyys [21], paksuus on yleensä 100 ~ 400 μm, ja materiaali on pääasiassa 6-8YSZ, jolla on matala lämpöjohtavuus ja suhteellisen korkea termiasumakerroin [22].

Materiaalit lämpöisolointikorvaukselle

Turbolohkon saantilämpötila on tiiviissä yhteydessä sen työntuoton kanssa. Vain kasvattamalla turbolohkon saantilämpötilaa voidaan työntuotto parantaa. Kuitenkin, tieteellisen ja teknologisen kehityksen sekä teollisuuden myötä raskaiden kaasuturkkien kuuman päässä olevien osien työlämpötila nousee edelleen, ja nikkelipohjaisen allodia mukana olevan turbolohkon rajalämpötila on 1150℃, mikä ei enää riitä korkeampiin lämpötiloihin. Siksi on erityisen kiireellistä löytää ja kehittää lämpöestevyyspeiteaineita erinomaisilla ominaisuuksilla. Niistä, koska lämpöestevyyspeitteen käyttöehdot ovat hyvin huonoja, valintaehtoja lämpöestevyyspeiteaineille on käytännössä tiukempia. Keramiikkitasoa vaaditaan yleensä olemaan alhaisella lämpöjohtavuudella ja korkealla hajontapisteellä, eikä se saa helposti käydä faasimuunnoksia huoneilmmäärästä käyttölämpötilaan, ja sitä tarvitaan myös korkealla lämpölaajennuskerroksella, erinomaisella lämpöryöstökapasiteetilla, sinterointiresistenssillä ja korrosiorkeställä [24]. Liitoskerroksen materiaalin täytyy olla korrosiorkestä, hapettumisresistenssiä, hyviä liitosvoimia ja muita ominaisuuksia [25-26].

Keraaminen kerrosaine

Kovat käyttöolosuhteet lämpöesteisykerrokselle rajoittavat sen aineiden valintaa. Tällä hetkellä käytännön sovelluksiin sopivia lämpöesteisykerrosmateriaaleja on hyvin vähän, pääasiassa YSZ-materiaaleja ja harva-ainepoksidopattuja YSZ-materiaaleja.

(1) ittriapoksidistabilisoitu torsio

Tällä hetkellä keramiikkamateriaaleista ZrO2 erottuu korkeasta hyllynäytteestään, alhaisesta lämpöjohtavuudesta, korkeasta lämpölaajenemiskertoimesta ja hyvistä murtumiskestävyyden ominaisuuksista. Kuitenkin puhtaalla ZrO2:llä on kolme kristallimuotoa: monokliininen (m) -fase, kuutio (c) -fase ja tetraagoninen (t) -fase, ja puhtaalla ZrO2:llä tapahtuu helposti fasisiirto, mikä aiheuttaa tilavuuden muutoksen, mikä vaikuttaa haitallisesti peittimen elinaikaan. Siksi ZrO2:n sekoitetaan usein vakiintuneita kehitteitä, kuten Y2O3, CaO, MgO ja Sc2O3, joiden avulla parannetaan sen fasisiirtotahoa. Niistä 8YSZ:llä on paras suorituskyky, sillä sillä on riittävästi kovuutta (~ 14 GPa), alhainen tiheys (~ 6,4 Mg·m-3), alhainen lämpöjohtavuus (~ 2,3 W·m-1 ·K-1 1 000℃:lla), korkea hyllynäyte (~ 2 700℃), korkea lämpölaajenemiskertoime (~ 1,1×10-5 K-1) ja muita erinomaisia ominaisuuksia. Siksi se käytetään laajasti lämpöesteiden keramiikkatasoisena materiaalina.

(2) Harva-ainepidät dopperoituja YSZ

Kun YSZ toimii ympäristössä, joka on yli 1200 °C pitkään ajan, tapahtuvat yleensä fasemuutos ja sinteröinti. Toisaalta epätasapainoisen tetraagonisen fasen t' muuttuu kuution c ja tetraagonisen t fasen sekoituksaksi, ja jähmettyessä t' muuntuu monokliiniseksi faseroksi m, ja fasemuutos jatkuu tilavuuden muutoksen kanssa, mikä aiheuttaa nopeasti peitekerroksen hajoamisen [27]. Toisaalta sinteröinti vähentää peitekerroksen poroosuutta, heikentää sen lämmönisolointisuorituskykyä ja jännityskantokykyä sekä lisää kovuutta ja joustomoduulia, mikä vaikuttaa merkittävästi peitekerroksen suorituskykyyn ja eliniän kestoon. Siksi YSZ ei voi ottaa käyttöön seuraavan sukupolven raskaiden kaasuturbiinimoottoreissa.

Yleisesti ottaen YSZ:n suorituskyky voidaan parantaa muuttamalla tai lisäämällä syvittäjän tyyppiä syvitettyyn rutsalille, kuten harvinaisten maalien oksidien dopingin avulla [28-30]. On havaittu, että mitä suurempi on säteiden ero Zr-ioneiden ja doping-ioneiden välillä, sitä korkeampi on vioittumiskonkenttä, mikä parantaa foonihevosen leviämistä ja vähentää termojohdettaisuutta [31]. CHEN ja kollegat [32] käyttivät APS:ää laitteiden lämpöesteisoluomakeramisen kerroksen (LGYYSZ) valmistamiseen, jossa La2O3, Yb2O3 ja Gd2O3 dopingattiin YSZ:ään, mittaamalla ja laskemalla saatiin lämpölaajennuskerroin ja lämpöjohtavuus lämpöesteisoluostosta, ja suoritettiin lämpösykli-testi 1 400℃:n lämpötilassa. Tulokset näyttävät, että verrattuna YSZ-kaataukseen LGYYSZ-kaataus on alhaisemman lämpöjohtavuuden, pidemmän lämpösykli-eliniikken sekä hyvän fasa-stabiilisuuden 1 500℃:lla. Li Jia ja kollegat [33] valmistivat Gd2O3:n ja Yb2O3:n yhteisdopingatun YSZ-pudotus kemiallisella yhteisensijautumismenetelmällä ja valmistivat Gd2O3:n ja Yb2O3:n yhteisdopingatun YSZ-kaatauksen APS:llä, tutkiessaan erilaisten oksidien dopingimääräjen vaikutusta kaatauksen fasasta stabiilisuuteen. Tulokset osoittavat, että Gd2O3:n ja Yb2O3:n yhteisdopingatun YSZ-kaatauksen fasa-stabiilisuus on parempi kuin perinteisen 8YSZ-kaatauksen. Fasi m fasi on vähäinen korkean lämpötilan kuuman käsittelevän jälkeen, kun doping-määrä on matala, ja vakioitu kuution fasi syntyy, kun doping-määrä on korkea.

Vertaen perinteistä YSZ:ää uuteen muokattuun YSZ:suomi materiaaliin, tämän uuden muokatun YSZ-sirppimateriaalin lämpöjohtavuus on alhaisempi, mikä tekee lämpöesteilyn peittokohdasta paremmat lämpöisolointiominaisuudet ja antaa tärkeän perustan korkean suorituskyvyn lämpöesteilytutkimukselle. Kuitenkin perinteisen YSZ:n kokonaisominaisuudet ovat hyviä, se on laajalti käytettyä ja sitä ei voida korvata minkään muokatun YSZ:n kanssa.

Liitoskerros-materiaali

Liitoskerros on erittäin tärkeä lämpöesteisen peitejärjestelmässä. Lisäksi keramikkikerroksen voidaan tiiviisti liittää allekkaisiin metallimatriiseihin, mikä vähentää sisäistä jännitystä, joka johtuu peitekerrosten termisestä laajenemiskertoimen epäsopivuudesta. Lisäksi koko peitejärjestelmän termisen korroosion ja hapan vastustus voidaan parantaa muodostumalla tiheäksi oksidifilmi korkealla lämpötilalla, mikä pidennää lämpöesteisen peitejärjestelmän eliniä. Tällä hetkellä liitoskerroksessa käytettävänä materiaalina on yleensä MCrAlY-liitos (M on Ni, Co tai Ni+Co, riippuen käytöstä). NiCoCrAlY on laajalti käytetty raskaiden kaasuturbiinien kanssa, koska sillä on hyviä kokonaisominaisuuksia, kuten hapan ja korroosion vastustus. MCrAlY-järjestelmässä Ni ja Co käytetään matriisin alkioina. Niillä on hyvä hapan vastustus ja Co:lla on hyvä väsymysvastus, mikä tekee Ni+Colle hyviä kokonaisominaisuuksia (kuten hapan ja korroosion vastustus). Cr parantaa peitteen korroosion vastustusta, Al voi parantaa peitteen hapan vastustusta, ja Y voi parantaa peitteen korroosion ja termisten sockeiden vastustusta.

MCrAlY-järjestelmän suorituskyky on erinomainen, mutta sitä voidaan käyttää vain työskentelyyn alle 1 100℃. Palveluluennon korottamiseksi asianomaiset valmistajat ja tutkijat ovat tehneet runsaasti tutkimusta MCrAlY-kiertokohdan muokkaamisesta. Esimerkiksi dopattamalla muita sidealkioita, kuten W, Ta, Hf ja Zr [34], jotta parannetaan sitekerroksen suorituskykyä. YU et al. [35] leijaili lämpöesteikkokonetyyppiä, joka koostuu Pt:llä muokatusta NiCoCrAlY-sitekerrostasta ja nanostrukturoidusta 4 paino-% yttriumilla vakautetusta zirkonia (4YSZ) keramiikkakerroksesta toisen sukupolven nikkelipohjaiselle superleikkiölle. Tutkittiin NiCoCrAlY-4YSZ-lämpöesteikkokonetyypin lämpöpyöritystulkintaa ilmassa sekä Pt:n vaikutusta TGO:n muodostumiseen ja oksidointiresistanssiin 1 100℃ lämpötilassa. Tulokset näyttävät, että verrattuna Nicocraly-4YSZ:hen NiCoCrAlY:n muokkaus Pt:llä edistää α-Al2O3:n muodostumista ja vähentää TGO-kasvunopeutta, mikä venyttää lämpöesteikkokonetyypin elinaikaa. GHADAMI et al. [36] valmistivat NiCoCrAlY-nanokompositikiertokohdan supersonic-flame-leijauksella nanoCEO2:lla. Vertasimme NiCoCrAlY-nanokompositikiertoja, jotka sisältävät 0,5, 1 ja 2 paino-% nanoCEO2:tä perinteisiin NiCoCrAlY-kiertokohdaksiin. Tulokset osoittavat, että NICocRALy-1 paino-% nano-CEO2 -kompositikierto on parempi oksidointiresistanssissa, korkeammassa kovuudessa ja alempaa porositettiin kuin muiden perinteisten NiCoCrAlY-kiertokohdien ja NiCoCrAlY nanokompositikiertokohdien.

Tällä hetkellä, lisäksi MCrAlY-järjestelmän soveltamisen mahdollisuuden sivuksellisesti, NiAl on myös keskeinen materiaali liitoskerroksen valmistukseen. NiAl koostuu pääasiassa β-NiAl:sta, joka muodostaa jatkuvan tiheän oksidielokirnuksen korkeammilla lämpötiloilla kuin 1200 ℃, ja sitä pidetään potentiaalisena ehdokkaana uuden sukupolven metalliliitoskerrokset materiaalina. Vertailtuna MCrAlY:hen ja perinteisiin β-NiAl-kuorekkeihin, PT-muokattujen β-NiAl-kuorekkeiden hauto- ja korroosionkestävyys on parempi. Kuitenkin korkealla lämpötilalla muodostuva oksidielokirnuus on heikosti kiinnittyvä, mikä lyhentää huomattavasti kuoren elinajan. Siksi parantaaakseen NiAl:n ominaisuuksia, tutkijat tekivät dopenointimodifikaatioita NiAl:iin. Yang Yingfei ja kollegat [37] valmistivat NiCrAlY-kuoren, NiAl-kuoren, PT-muokatun NiAl-kuoren ja Pt+Hf yhteisdopatuksen NiAl-kuoren, ja vertasivat näiden neljän kuoren hautokeskusten käyttäytymistä 1100 ℃ lämpötilassa. Lopputulokset osoittivat, että paras hautokeskus oli Pt+Hf yhteisdopatuksen NiAl-kuori. Qiu Lin [38] valmistivat eri Al-sisältöjen NiAl-lohkometallit ja eri Hf/Zr-sisältöjen β-NiAl-lohkometallit tyhjiössä kaasumeltamalla, ja tutkivat Al-, Hf- ja Zr:n vaikutusta NiAl-metallien hautokeskusten käyttäytymiseen. Tulokset osoittivat, että NiAl-metallien hautokeskus kasvoi mukana Al-sisällön kasvua, ja Hf/Zr-dopenointi β-NiAl-metallissa paransi hautokeskusten käyttäytymistä; optimaaliset dopausmäärät olivat 0,1 at.% ja 0,3 at.%, vastaavasti. LI ja kollegat [39] valmistivat uuden harvemalmillisen β-(Ni, Pt) Al-kuoren Mo-pitoisten Ni2Al-perusten superleikitse elektroosituskäsittelyllä ja aluminoidinkäsittelyllä vähemmän aktiivisella tavalla, ja vertasivat harvemalmillisen β-(Ni, Pt) Al-kuoren perinteiseen β-(Ni, Pt) Al-kuoreen vertailussa. Isothermalen hautokeskusten käyttäytymisen (Pt) Al-kuoren kohdalla 1100 ℃ lämpötilassa. Tulokset osoittavat, että harvemalmielementit voivat parantaa kuoren hautokeskusten käyttäytymistä.

Yhteenvetona, MCrAlY- ja NiAl-kaasujen omat edut ja haitat, joten tutkijoiden tulisi jatkaa muokkaustutkimusta näiden kahden kaasumateriaalin perusteella etsien uusien metallisen liimikerroksen materiaalien kehittämistä, jotta raskaan kaasuturbiinin lämpöesteikkoon voidaan korottaa käyttötunnus.