Napredak istraživanja i razvojni trend teških plinskih turbine i njihovih toplinskih barijernih obloga (3)

2.1 Priprema toplinske barijerske otopine

Do određene mjere, mikrostruktura toplinske barijerske omotnje ne utječe samo na termičku izolaciju, otpornost na oksidaciju i druge svojstva omotnje, već također određuje životni vijek omotnje. Mikrostruktura toplinske barijerske omotnje ovisi ne samo o materijalu koji se koristi, već i o procesu pripreme. Zbog toga je važno odabrati odgovarajući proces pripreme prema različitim zahtjevima. Postoji mnogo načina za pripravu toplinskih barijerskih omotnji, ali se oni uglavnom dijele na dvije kategorije: jedna je toplinsko špricanje, a druga fizička parna deponiranja. Među njima, metoda toplinskog špricanja uključuje supersonično špricanje, plazmensko špricanje, eksplozijsko špricanje i slično. Omotnja pripremljena toplinskim špricanjem ima listovit oblik. Fizičko parno deponiranje uglavnom je elektronski zrak fizičkog parnog deponiranja (EB-PVD), a pripremljena omotnja je stubasta. Keramički sloj toplinske barijerske omotnje često se priprema pomoću elektronskog zraka fizičkog parnog deponiranja, atmosferskog plazmenskog špricanja i drugih metoda. Metalni spojivi sloj uglavnom koristi tehnologiju toplinskog špricanja kao što su atmosfersko plazmensko špricanje (APS), niskotlakišno plazmensko špricanje (LPPS) i supersonično flamsko špricanje (HVOF) [40]. Do danas, APS i EB-PVD su glavne metode za pripremu toplinskih barijerskih omotnji za gasne turbine.

2.1.1 Atmosfersko plazmeno spremanje

APS je vrsta direktnog struja koji se stvara pomoću prskaljke kako bi se pretvorio Ar, He, N2 i drugi plinovi u plazamske jetove, što omogućuje da se keramički prašek i metalni prašek prevozni putem nosačnog plina brzo zagrijeva i topi u toplinski ili polutoptinski čestice. Tehnologija za formiranje obložbe na površini matrice superalija utjecajom velike kinetičke energije (80 ~ 300 m/s) pod djelovanjem električnog poja [42]. Termička barjerana obložba pripremljena APS tehnikom sastoji se od brojnih čestica međusobno složenih, a matrica je uglavnom mehanički vezana uz laminarnu mikrostrukturu koja sadrži mnoge defektnosti paralelne alijanskoj matrici, kao što su pori i mikropretrge (kao što je prikazano na slici 2). Razine nastanka su sljedeće: u visokotemperaturnim uvjetima, keramika ili metal će se topiti i formirati topline čestice, a bit će sadržane neke okolišne plinove, ali hladnjak obložbe vrlo je brz, što će uzrokovati da se plin disolvan u topline čestice tijekom depozicije ne može vremenski isključiti, a zatim formirati pori; Isto tako, nedovoljna veza između topline čestica također će uzrokovati formiranje pori i pretrga u obložbi. Stoga, ako se koristi APS za pripremu termičkih barjernih obložbi, njegova poroznost je visoka i ima dobre termičke izolacijske performanse, ali su njegove mane nedovoljna otpornost na deformaciju i loša otpornost na termičke šokove [43], a primjenjuje se uglavnom za dijelove s relativno dobrom radnom atmosferom. Također, priprema APS je jeftina, pa se može primijeniti na veće dijelove.

2.1.2 Elektronsko zrakne kondenzacije fizičkog toplinskog odlaganja

EB-PVD je tehnologija koja koristi elektronski zrak visoke energije za zagrijavanje prašnate omota u vakuumski komori i stvaranje toplog bazena na površini prašnice kako bi se porcelanska prašnica isparila i odlagala na površinu podložaka u atomskom stanju, čime se formira toplinska barijerna omotnica [45], kao što je prikazano na slici 3. Struktura EB-PVD omota je stupasti kristalni raspored okomito na aluminijevu matricu, a omot i matrica su uglavnom spojeni metalurgijskim veznim. Površina nije samo glatka, nego ima i dobru gustoću, pa tako posjeduje visoku jačinu veze, toleranciju deformacija i otpornost na topline šokove. Primijenjuje se uglavnom na dijelove s ekstremnim radnim uvjetima, poput rotorskih lopatica plinske turbine. Međutim, troškovi pripreme EB-PVD omota su skupi, mogu se pripremiti samo tanki omoti, a strukturna veličina dijelova ima određene zahtjeve, pa se rijetko koristi u plinskim turbinama.

Gore navedena dva postupka pripreme već su bila vrlo zrela, ali ipak imaju svoje probleme, kao što je prikazano u Tablici 2. U posljednjih godina, relevantni istraživači neprestano savršavaju i stvaraju nove metode pripreme toplinske izolacijske obloga. Trenutno, među često korištenim novim metodama pripreme toplinske izolacijske obloga, najizrazitija je tehnologija plazmanskog prašenja fizičke vapo deposicije (PS-PVD), koja se smatra jednom od najprometnijih i učinkovitih metoda pripreme toplinske izolacijske obloga.

2.1.3 Plazmatsko prašenje fizičke vapo deposicije

PS-PVD tehnologija je razvijena na temelju niskoprinskog plazmenskog spremanja. Struktura obloga pripremljena ovom metodom sastoji se od perja i stupova, a rupice u oblogu su brojne i otvoreni su veliki, kao što je prikazano na slici 4. Stoga PS-PVD tehnologija poboljšava problem nedostatka termičke izolacije kod EB-PVD obloga i loše otpornosti na toplinski šok kod APS obloga, a termički barječni oblog pripremljen PS-PVD tehnologijom ima visoku jačinu veze, dobru termičku izolaciju i dobru otpornost na toplinski šok, ali lošu otpornost na koroziju i oksidaciju CMAS-a. Na temelju ovoga, ZHANG i suradnici [41] predložili su metodu modificiranja PS-PVD 7YSZ termičkog barječnog obloga Al2O3-om. Eksperimentalni rezultati pokazuju da se otpornost na oksidaciju i otpornost na koroziju CMAS-a kod 7YSZ termičkog barječnog obloga pripremljenog PS-PVD tehnologijom mogu poboljšati aluminiziranjem.