भारी गैस टर्बाइनों और उनके थर्मल बैरियर कोटिंग का शोध प्रगति और विकास धारा (4)

गैस टर्बाइन थर्मल बारियर कोटिंग के मुख्य गुण

क्योंकि भूमि-भारी गैस टर्बाइनों का काम सामान्यतः एक जटिल पर्यावरण में होता है, और उनके रखरखाव की अवधि लंबी होती है, यह 50,000 घंटे तक पहुंच सकती है। इसलिए, गैस टर्बाइन थर्मल बैरियर कोटिंग (TBC) प्रौद्योगिकी को सुधारने और TBC की सेवा जीवन काल को बढ़ाने के लिए, अंतिम वर्षों में शोधकर्ताओं ने थर्मल बैरियर कोटिंग के महत्वपूर्ण गुणों पर बहुत सारा शोध किया है, जैसे कि ऊष्मा अलग करने की क्षमता, ऑक्सीकरण प्रतिरोध, थर्मल शॉक प्रतिरोध और CMAS संक्षारण प्रतिरोध। इनमें से, थर्मल बैरियर कोटिंग के ऊष्मा अलग करने, ऑक्सीकरण प्रतिरोध और थर्मल शॉक प्रतिरोध पर शोध और प्रगति अपेक्षाकृत पर्याप्त है, लेकिन CMAS संक्षारण प्रतिरोध के बारे में अपेक्षाकृत कम जानकारी है। एक साथ, CMAS संक्षारण थर्मल बैरियर कोटिंग का मुख्य विफलता प्रकार बन चुका है, जो अगली पीढ़ी के उच्च-प्रदर्शन गैस टर्बाइनों के विकास को रोकता है। इसलिए, इस खंड में पहले थर्मल बैरियर कोटिंग के ऊष्मा अलग करने, ऑक्सीकरण प्रतिरोध और थर्मल शॉक प्रतिरोध का संक्षिप्त बयान दिया गया है, और फिर खंड 4 में थर्मल बैरियर कोटिंग के CMAS संक्षारण मेकेनिज्म और सुरक्षा प्रौद्योगिकी के शोध प्रगति पर ध्यान केंद्रित किया गया है।

गर्मी की अलगाव विशेषता

औद्योगिक प्रगति के साथ, उच्च प्रदर्शन गैस टर्बाइनों ने टर्बाइन प्रवेश तापमान के लिए उच्चतर मांगें रखी हैं। इसलिए, थर्मल बैरियर कोटिंग के गर्मी के अलगाव को सुधारना बहुत महत्वपूर्ण है। थर्मल बैरियर कोटिंग का गर्मी का अलगाव इस कोटिंग के सामग्री, संरचना और तैयारी की प्रक्रिया से संबंधित है। इसके अलावा, थर्मल बैरियर कोटिंग का सेवा पर्यावरण भी इसकी गर्मी के अलगाव क्षमता पर प्रभाव डाल सकता है।

थर्मल चालकता को आमतौर पर थर्मल बारियर कोटिंग के थर्मल इन्सुलेशन प्रदर्शन का मूल्यांकन सूचकांक के रूप में उपयोग किया जाता है। लियू यानकुआन और अन्य [48] ने APS का उपयोग करके 2 मोल.% Eu3+ डॉप्ड YSZ कोटिंग तैयार की, और YSZ कोटिंग की तुलना में परिणाम दिखाए कि 2 मोल.% Eu3+ डॉप्ड YSZ कोटिंग की थर्मल चालकता कम थी, यानी 2 मोल.% Eu3+ डॉप्ड YSZ कोटिंग का थर्मल इन्सुलेशन बेहतर था। यह पाया गया कि कोटिंग में छेदों की स्थानिक और ज्यामितीय विशेषताओं का थर्मल चालकता पर बड़ा प्रभाव पड़ता है [49]। सन और अन्य [50] ने विभिन्न छेद वाली थर्मल बारियर कोटिंग की थर्मल चालकता और प्रत्यास्थ मॉड्यूलस पर एक तुलनात्मक अध्ययन किया। परिणाम दिखाते हैं कि थर्मल बारियर कोटिंग की थर्मल चालकता और प्रत्यास्थ मॉड्यूलस छेद के आकार के कम होने के साथ कम होती है, और जितनी अधिक पोरोसिटी होती है, उतनी कम थर्मल चालकता होती है। बहुत सारे अध्ययन दिखाते हैं कि EB-PVD कोटिंग की तुलना में APS कोटिंग का थर्मल इन्सुलेशन बेहतर होता है, क्योंकि APS कोटिंग में अधिक पोरोसिटी होती है और थर्मल चालकता कम होती है [51]। रैटज़र-शाइबे और अन्य [52] ने EB-PVD PYSZ की कोटिंग मोटाई के थर्मल चालकता पर प्रभाव का अध्ययन किया, और परिणाम दिखाए कि EB-PVD PYSZ की कोटिंग मोटाई इसकी थर्मल चालकता पर बड़ा प्रभाव डालती है, यानी कोटिंग मोटाई भी थर्मल बारियर कोटिंग के थर्मल इन्सुलेशन प्रदर्शन पर प्रभाव डालने वाले महत्वपूर्ण कारकों में से एक है। गोंग कैशेंग और अन्य [53] के अनुसंधान परिणाम भी दिखाते हैं कि वास्तविक कोटिंग अनुप्रयोग की मोटाई की सीमा में, कोटिंग का थर्मल इन्सुलेशन प्रदर्शन इसकी मोटाई और पर्यावरण के तापमान अंतर के समानुपाती है। हालांकि, थर्मल बारियर कोटिंग का थर्मल इन्सुलेशन प्रदर्शन मोटाई के साथ बढ़ता है, जब कोटिंग मोटाई एक निश्चित मान तक बढ़ती है, तो कोटिंग में तनाव सांद्रण हो सकता है, जिससे प्रारंभिक विफलता हो सकती है। इसलिए, कोटिंग के थर्मल इन्सुलेशन प्रदर्शन को बढ़ाने और इसकी सेवा जीवन को बढ़ाने के लिए, कोटिंग मोटाई को विवेकपूर्वक नियंत्रित किया जाना चाहिए।

ऑक्सीकरण प्रतिरोध

उच्च तापमान ऑक्सीकरण की स्थिति में, थर्मल बैरियर कोटिंग में TGO की एक परत आसानी से बन सकती है। TGO का थर्मल बैरियर कोटिंग [54] पर प्रभाव दो पहलुओं से होता है: एक तरफ, बनने वाले TGO को रोकने में मदद कर सकता है कि ऑक्सीजन अंदर फ़िल्टर होता है और यौगिक मैट्रिक्स के ऑक्सीकरण पर बाहरी प्रभाव कम कर सकता है। दूसरी ओर, TGO के निरंतर मोटा होने के साथ, इसके बड़े ईलास्टिक मॉड्यूलस और इसके गर्मी विस्तार गुणांक के बीच बड़ा अंतर और चिपकने वाली परत के कारण, ठंडे होने की प्रक्रिया के दौरान बड़े तनाव का उत्पन्न होना भी आसान हो जाता है, जिससे कोटिंग जल्दी छूट सकती है। इसलिए, थर्मल बैरियर कोटिंग की जीवन की अवधि को बढ़ाने के लिए, कोटिंग के ऑक्सीकरण प्रतिरोध को सुधारना जरूरी है।

XIE और उनकी टीम [55] ने TGO के निर्माण और विकास के व्यवहार का अध्ययन किया, जिसे मुख्य रूप से दो चरणों में विभाजित किया गया: पहले, एक घनी परत α -एल2ओ3 फिल्म बाउंडिंग लेयर पर बनाई गई थी, और फिर सिरामिक लेयर और के बीच एक पोरस मिश्रित ऑक्साइड बना। α -एल2ओ3। परिणाम दर्शाते हैं कि ज्वारी बाधाओं में फटलें पैदा करने वाली मुख्य पदार्थ TGO में पोरस मिश्रित ऑक्साइड है, नहीं α -Al2O3. लियू एत अल. [56] ने तापीय बारियर कोटिंग की जीवनकाल को सही से भविष्यवाणी करने के लिए TGO (Thermal Growth Oxide) की विकास दर का समुलेखन करने के लिए दो चरणों में तनाव के विकास के संख्यात्मक विश्लेषण के लिए एक सुधारित विधि प्रस्तावित की। इसलिए, नुकसानपूर्ण मिश्रित ऑक्साइड की झिलमिलाती विकास दर को नियंत्रित करके TGO की मोटाई को प्रभावी रूप से नियंत्रित किया जा सकता है, ताकि तापीय बारियर कोटिंग का प्रारंभिक विफल होना रोका जा सके। परिणाम यह दर्शाते हैं कि डुअल-सिरेमिक तापीय बारियर कोटिंग का उपयोग करके, कोटिंग की सतह पर सुरक्षित परत का निर्माण करके और कोटिंग सतह के घनत्व को सुधारकर TGO का विकास देरी से हो सकता है, और कोटिंग की ऑक्सीजन प्रतिरोधकता को कुछ हद तक सुधारा जा सकता है। एन एत अल. [57] ने APS (Air Plasma Spray) प्रौद्योगिकी का उपयोग करके दो प्रकार की तापीय बारियर कोटिंग तैयार की: 1100°C पर समतापीय ऑक्सीकरण परीक्षणों द्वारा TGO के गठन और विकास व्यवहार का अध्ययन किया। ℃ . पहला YAG/YSZ डबल सिरामिक बैरियर कोटिंग (DCL TBC) है और दूसरा YSZ सिंगल सिरामिक बैरियर कोटिंग (SCL TBC) है। शोध के परिणाम दिखाते हैं कि TGO का निर्माण और विकास प्रक्रिया थर्मोडायनेमिक्स के नियमों का पालन करती है, जैसा कि चित्र 5 में दिखाया गया है: सूत्र (1) ~ (8) के अनुसार, पहले Al2O3 बनता है, फिर Y आयन का ऑक्सीकरण Al2O3 TGO की सतह पर एक अत्यंत पतली Y2O3 की परत बनाता है, और दोनों एक दूसरे के साथ अभिक्रिया करके Y3Al5O12 बनाते हैं। जब Al आयन को कम कर दिया जाता है, तो बांड लेयर में अन्य धातु तत्वों का ऑक्सीकरण मिश्रित ऑक्साइड्स (Cr2O3, CoO, NiO और स्पिनेल ऑक्साइड्स आदि) बनाने से पहले और बाद में होता है, पहले Cr2O3, CoO, NiO बनता है, फिर (Ni, Co) O और Al2O3 के साथ अभिक्रिया करके (Ni, Co) Al2O4 बनाता है। (Ni, Co) O, Cr2O3 के साथ अभिक्रिया करके (Ni, Co) Al2O4 बनाता है। SCL TBC की तुलना में, DCL TBC में TGO का निर्माण और विकास दर कम है, इसलिए इसके पास बेहतर उच्च-तापमान ऑक्सीजन अपशिष्ट गुण होते हैं। Xu Shiming और उनकी टीम [58] ने मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग का उपयोग करके 7YSZ कोटिंग की सतह पर एक फिल्म डिपॉजिट की। गर्मी के उपचार के बाद, α -Al2O3 परत in-situ रिएक्शन द्वारा उत्पन्न की गई। अध्ययन ने दिखाया कि α -Al2O3 परत कोचिंग की सतह पर बनी हुई, कोचिंग की ऑक्सीकरण प्रतिरोधकता में सुधार कर सकती है, ऑक्सीजन आयन डिफ़्यूज़न को रोककर। FENG और उनकी टीम [59] ने दिखाया कि APS YSZ कोचिंग सतह पर लेज़र पुनर्गलन कर सकता है, जिससे कोचिंग की ऑक्सीकरण प्रतिरोधकता में सुधार होता है, मुख्य रूप से क्योंकि लेज़र पुनर्गलन कोचिंग के घनीकरण में सुधार करता है, इससे TGO के विकास को देरी हो जाती है।

थर्मल शॉक प्रतिरोध

जब भारी ड्यूटी गैस टर्बाइन के हॉट एंड कंपोनेंट्स उच्च तापमान के परिवेश में सेवा में होते हैं, तो वे तेज़ तापमान परिवर्तन के कारण थर्मल शॉक से पीड़ित होते हैं। इसलिए, थर्मल बारियर कोटिंग की थर्मल शॉक प्रतिरोधकता में सुधार करके एल्यूम खंडों की रक्षा की जा सकती है। थर्मल बारियर कोटिंग की थर्मल शॉक प्रतिरोधकता को आमतौर पर थर्मल साइकिलिंग (थर्मल शॉक) परीक्षण द्वारा परीक्षित किया जाता है, पहले उच्च तापमान पर कुछ समय के लिए रखा जाता है, और फिर हवा/पानी से ठंडा करने के लिए निकाल दिया जाता है, यह एक थर्मल साइकिल है। थर्मल बारियर कोटिंग की थर्मल शॉक प्रतिरोधकता को कोटिंग के विफल होने पर अनुभव किए गए थर्मल साइकिलों की संख्या की तुलना द्वारा मूल्यांकन किया जाता है। अध्ययनों ने दिखाया है कि ग्रेडिएंट स्ट्रक्चर थर्मल बारियर कोटिंग की थर्मल शॉक प्रतिरोधकता बेहतर होती है, मुख्य रूप से क्योंकि ग्रेडिएंट स्ट्रक्चर थर्मल बारियर कोटिंग की मोटाई छोटी होती है, जो कोटिंग में थर्मल तनाव को देरी से कर सकती है [60]। ZHANG और उनकी टीम [61] ने 1,000 पर थर्मल साइकिल परीक्षण किए। ℃ तीन रूपों में डॉट, स्टreak और ग्रिड थर्मल बारियर कोटिंग पर, जो NiCrAlY / 7YSZ थर्मल बारियर कोटिंग के लेज़र पुन: गलन से प्राप्त हुईं, और स्प्रे किए गए नमूनों की थर्मल चौकसी का अध्ययन किया गया और लेज़र उपचार के बाद विभिन्न आकारों के तीन नमूनों की। परिणाम दर्शाते हैं कि डॉट नमूना की थर्मल चौकसी सबसे अच्छी है और थर्मल साइकल जीवन स्प्रे नमूने की तुलना में दोगुना है। हालाँकि, स्टreak और ग्रिड नमूनों की थर्मल चौकसी स्प्रे नमूनों की तुलना में खराब है, जैसा कि चित्र 6 में दिखाया गया है। इसके अलावा, कई अध्ययनों ने दिखाया है कि कुछ नए कोटिंग सामग्री अच्छी थर्मल चौकसी की क्षमता रखते हैं, जैसे SrAl12O19 [62] ZHOU और उनकी टीम द्वारा प्रस्तावित, LaMgAl11O19 [63] LIU और उनकी टीम द्वारा प्रस्तावित, और Sm2 (Zr0.7Ce0.3) 2O7 [64] HUO और उनकी टीम द्वारा प्रस्तावित। इसलिए, थर्मल बारियर कोटिंग की थर्मल चौकसी को बढ़ाने के लिए, कोटिंग के संरचना डिज़ाइन और ऑप्टिमाइज़ेशन के अलावा, अच्छी थर्मल चौकसी वाले नए सामग्री खोजने और विकसित करने की संभावना है।