A nehéz gázgerendek és hőálló revések kutatási fejlődése és fejlesztési iránya (2)

Hőszigetelő fedés

A hőszigetelő fedések kutatási háttere

Mivel 1920-ban sikeresen kidolgozták az első gázgerendát, a gázgerenda mindig kulcsfontosságú szerepet játszott a villamos energia- és hajítás területén. Emellett az ipari technológia fejlődésével a nehézigázgerendák technikai szintje folyamatosan javul, és egyre sürgősebbé válik, hogy hogyan növelhető a nehézigázgerendák hatékonysága. A turbinaszerkezet egyik fontos összetevője a turbinaképű nehézigázgerenda égési rendszerének része. A turbina bejárati hőmérsékletének növelése hatékonyabban javíthatja a nehézigázgerendák hatékonyságát. Ezért a kapcsolódó kutatók irányíthatják a munkájukat a turbinabejárati hőmérséklet növelésére. Annak érdekében, hogy megfeleljen a jövőbeli hatékony gázgerendáknak a növekvő működési hőmérsékleti igénynek, általában hőszigetelő fedést spritálnak a forró végű komponensek felületére.

1953-ban az Egyesült Államokbeli NASA-Lewis Kutatóintézetének kutatói először fogalmazták meg a hőállványos zárófolt konceptjét [13], amely azt jelenti, hogy kerámiafoltot spritálunk a hőségben működő részek felszínére hőspray technológiával, hogy hőállítást és védelmet biztosítson, csökkentsük a lészelet felhőző hőmérsékletét, csökkentsük a motor üzemanyagfogyasztását és meghosszabbítsuk a lészelet hasznos élettartamát. A hőállványos zárófolt kölcsönös elterjedésű az ipari gázgerendek és repülőgép motorkomponenseinek (turbina-lészek és égéskomorok stb.) forró végén, kiváló tulajdonságai miatt, mint például alacsony előállítási költsége és jó hőállítási védelem, nemzetközi szinten is elismert nehéygázgerendelépítés vezető technológiájaként.

A hőállványos zárófolt rendszerének szerkezete

• A tudomány és technológia fejlődésével a gázturbínák bejárati hőmérséklete egyre magasabbá válik. Ahhoz, hogy jobb hőelszóró hatást érjen el a hőállapotú fedőzés, a világ többi része leginkább a hőállapotú fedőzés szerkezetének tervezésére koncentrál, ami eléggé megmutatja a hőállapotú fedőzés szerkezetének jelentőségét [14]. A fedőzés különböző szerkezetének megfelelően az osztrázhatókétté, többosztrázású és gradiens szerkezetű csoportokba sorolhatóak [15].
• Közülük, a kétrétegű hőállapotú takaróképírás, amely porcelános rétegből és kötőrétegből áll, mint a legegyszerűbb és tökéletesebb hővédelmi takaróképírás az összes takaróstruktúra között, már széleskörűen használatos a hővédelmi technológia területén. Ezek közül a leggyakrabban alkalmazott kétrétegű szerkezetű hővédelmi takaróképírás 6 súly %-os ~ 8 súly %-os ittriumstabilizált cirkońszilícátum (6-8YSZ) cerámiumanyagot használ kívüli anyaggal, míg MCrAlY (M=Ni, Co, Ni+Co, stb.) hajlítványt használ metálkötőrétegbeli anyaggal [16]. Azonban a cerámiumréteg és a metálkötőréteg hőtágulási együtthatójának nemegyeztethetősége miatt könnyen előállhat stressz a takaróképírásban, ami korán elérheti a takaróképírás leválását.
• A hőálló takaró teljesítményének javítása érdekében a kutatók egy viszonylag bonyolult szerkezetű (összetett takaró) többszintes szerkezetű hőálló takarót készítettek, azaz több izolációs és záróréteget adtak hozzá a kétszintes szerkezetű hőálló takaró alapján, általában öt réteg. Ezek között a legtöbbet tanulmányozott zárórétegek főként az Al2O3, NiAl stb. [17]. FENG és munkatársai [18] az APS-t használták YSZ hőálló takaró és LZ/YSZ hőálló takaró elkészítésére (La2Zr2O7 / ZrO2-Y2O3 kétszintes kerámia rétegű hőálló takaró), majd laser-újrapenészést alkalmaztak a takaró felületének újrapenédezésére, és ezután magas hőmérsékletű oxidációs tesztet végeztek 1 100℃-on. Az eredmények azt mutatják, hogy összehasonlítva a YSZ hőálló takaróval, az LZ/YSZ kétkerámia hőálló takaró jobb oxidációs ellenállást mutat. Bár a többszintes hőálló takaró teljesítménye jobb, mint a kétszintes hőálló takaróé, szerkezete és előállítási folyamata bonyolultabb, valamint hőcsapás-ellenállása gyengébb, így praktikus alkalmazásában korlátozott. Ezért a gradiens szerkezetű hőálló takaró jött létre.
• A gradiens szerkezetű hőálló revédbárna folytonos gradiens változást mutat a összetételben és a szerkezetben a revének vastagságának irányában, ami egy elmosott réteg határát eredményezi. Összehasonlítva a két- és többszintes szerkezetekkel, a gradiens szerkezetű hőálló revédbárna nemcsak kiemelkedő hőimpulzusellenállást mutat, de a teljesítmény folytonos gradiens változását is bemutatja, így hőtengeszteszt jellemzők, és alkalmazhatóak keményes magas hőmérsékleti környezetben. A funkcionálisan gradienses hőálló revédbárna fő térfogalmelemző technológiáit Mr. áttekintette. Bár sokféle előkészítési módszer létezik, a gyakorlatban a gradiens szerkezetű hőálló revédbárna rossz, mivel bonyolult előkészítési folyamata van, nehéz ellenőrizni a szerkezeti összetevőket és magas költsége van.
• Összefoglalóban, a kétrétegű hőálló takaró széleskörűen használatos, és a folyamatot jól megtanultak, továbbra is marad a hőálló takarók kedvelt szerkezeti alakja. A porcelános réteg és a kötőréteg [20] hőspray technológiával kerül elhelyezésre az alej mátrixon. Magas hőmérsékletű oxidációs feltételek között egy vékony hőnövekedéses oxidréteg képződik a kötőréteg felületén az oxidáció után, amint azt ábra 1 mutatja. Az alej mátrix, mint a hőálló takaró által védett komponens, képes külső mechanikai terhez kijárulni, és anyaga főleg magas hőmérsékletű és oxidáció ellenálló nikkelalapú szuperalej. A kötőréteg szerepe, hogy növelje a porcelános réteg és az alej mátrix közötti kötést, általános vastagsága 50 ~ 150 µm, és anyaga általában MCrAlY (M=Ni/Co/Ni+Co), amelynek a hőtágásztényezője kisebb az alej mátrixéval szemben. A hőnövekedéses oxid (TGO) főként egy α-Al2O3 vékony filmet alkot a porcelános réteg és a kötőréteg között magas hőmérsékletű oxidációs környezetben, melynek vastagsága 1 ~ 10 µm, és nagy hatással van a takaróra. A porcelános réteg hőszigetelést, korroziónyomatékosítást és ütközésellenes védelmet biztosít [21], általános vastagsága 100 ~ 400 μm, és anyaga főként 6-8YSZ, amely alacsony hővezetékenységgel és viszonylag magas hőtágásztényezővel rendelkezik [22].

A hőálló覆gyűrű anyagai

A turbinláp behúló hőmérséklete szorosan kapcsolódik a működési hatékonysághoz. Csak a turbinláp behúló hőmérsékletének növelésével lehet javítani a működési hatékonyságot. Azonban a tudomány és az ipar fejlődésével együtt a nehéz gázturbinák forró vég részeinek működési hőmérséklete tovább emelkedik, és a nikkelalapú összetevőből készült turbinlápok maximális hőmérséklete 1150°C, amelyen felül már nem működhetnek. Ezért különösen sürgős feladat az alkalmas tulajdonságokkal rendelkező hőállású fedőanyagok keresése és fejlesztése. Ezek közül a hőállású fedőanyagok használati feltételei nagyon rosszak, ezért a valóságos folyamatok során a hőállású fedőanyagok anyagjainak kiválasztása sokkal szigorúbb. A porcelános réteg anyaga általában alacsony hővezetékenységgel és magas fürdőponttal kell, hogy rendelkezzen, nem térjen könnyen fázistranszformációba a szobahőmérséklet és a használati hőmérséklet közötti tartományban, és magas hőtágulási együtthatónak, kiemelt hőcsapásellenállásnak, súlyosodási ellenállásnak és korroziónak is kell lennie [24]. A kötőréteg anyaga korroziónak, oxidációnak, jó kötési erőnek és más tulajdonságoknak is kell ellenállnia [25-26].

Ceramikus réteg anyag

A térmű védelmi fedő anyagának súlyos szolgáltatási feltételei korlátozzák az anyagok kiválasztását. Jelenleg a gyakorlatban alkalmazható térmű védelmi fedőanyagok nagyon korlátozottak, főként YSZ anyagok és ritkasági földoxiddal dúzott YSZ anyagok.

(1) itriumoxid stabilizált cirkońszilícium

Jelenleg a kerámiai anyagok között a ZrO2 kiemelkedik magas forradékpontjának, alacsony hővezetékonyságának, magas hőtágulási együtthatójának és jó törési ellenállásának köszönhetően. Azonban az egész ZrO2 három kristályformája van: monoklin (m) fázis, kocka (c) fázis és tetragonális (t) fázis, és az egész ZrO2 könnyen átfázis-alakítódik, ami térfogati változást eredményez, amely rossz hatással van a fedélzeti életkorra. Ezért a ZrO2 gyakran olyan stabilizátorokkal történik mesterséges összekeverés, mint például Y2O3, CaO, MgO és Sc2O3 a fázis stabilitásának javítása érdekében. Ezek közül az 8YSZ a legjobb teljesítményt mutatja, elég nagy a keményisége (~ 14 GPa), alacsony sűrűsége (~ 6,4 Mg·m-3), alacsony hővezetékonysága (~ 2,3 W·m-1 ·K-1 1000℃-nál), magas forradékpontja (~ 2700℃), magas hőtágulási együtthatója (1,1×10-5 K-1) és más kiváló tulajdonságai vannak. Ezért kerámiai réteganyagként széleskörűen használnak a hővédelmi fedélzekben.

(2) Rézsfényszerv oxiddal mesterséges összekeverésű YSZ

Amikor a YSZ hosszú ideig 1 200 °C-nál magasabb környezetben működik, általában fázisátmenetek és szelezés bekövetkeznek. Egyrészt a nem egyensúlyi tetragonális t' fázist egy kocka c és tetragonális t fázisok keverékeibe alakítják át, és a hűtés során a t' a monoklínus m fázissá alakul át, folyamatosan folytatódik a térfogatváltozásokkal járó fázisátmenet, ami gyorsan lecseszíti a fedőanyagot [27]. Másrészt a szelezés csökkenti a porosságot a fedőanyagban, csökkenti a hőizolációs teljesítményét és törékenységtűréseit, növeli a merevséget és az elastikus modulusát, amely nagymértékben befolyásolja a fedőanyag teljesítményét és élettartamát. Ezért a YSZ nem alkalmazható a következő generációval szembeni nehéy gázturbina-motorokon.

Általánosságban a YSZ teljesítményét növelhetjük a zirkónia stabilizáló típusának változtatásával vagy növelésével, például a rézsfémbeli ionokkal történő dopeltelés módszerével [28-30]. Felfedezték, hogy minél nagyobb a Zr-ionok és a dopolt ionok közötti sugárkülönbség, annál több hiányosság van, ami javíthatja a fonon-térítést és csökkenti a hővezetégséget [31]. CHEN és munkatársai [32] az APS-t használták egy hővédelmi réteget készíteni (LGYYSZ), amelyben La2O3, Yb2O3 és Gd2O3 közös-dopeltelésű YSZ-t alkalmaztak, és megmérték és számították ki a hővédelmi réteg hőtágulási együtthatóját és hővezetégségét, valamint hőciklus-próbát végeztek 1400℃-on. Az eredmények azt mutatják, hogy összehasonlítva a YSZ-rejtéssel, a LGYYSZ-rejtés alacsonyabb hővezetégséggel rendelkezik, hosszabb hőciklus élettartammal és jó fázisstabilitással 1500℃-nál. Li Jia és kollegái [33] Gd2O3 és Yb2O3 közös-dopelteléses YSZ porot készítettek kémiai közös-kivésztetési módszerrel és Gd2O3 és Yb2O3 közös-dopelteléses YSZ-rejtést készítettek APS-sel, és tanulmányozták a különböző oxidmennyiségek dopeltelésének hatását a rejtés fázisstabilitására. Az eredmények azt mutatják, hogy a Gd2O3 és Yb2O3 közös-dopelteléses YSZ-rejtés fázisstabilitása jobb, mint a tradicionális 8YSZ-rejtésének. A fázis m fázis kevesebb a magas hőmérsékletű melegkezelés után, ha a dopeltelés mennyisége alacsony, és stabil kubikus fázist termel, ha a dopeltelés mennyisége magas.

Az új módosított YSZ kerámia anyag a tradicionális YSZ-hez képest alacsonyabb hővezetékenységgel rendelkezik, ami jobb hőállványi tulajdonságokat ad a hőállvány-fóliának, és fontos alapot biztosít a magas teljesítményű hőállvány-fólia kutatásához. Azonban a tradicionális YSZ összetett teljesítménye jó, széleskörben használják, és egyik módosított YSZ sem váltja fel.

Csatolós réteg anyag

A kötőréteg nagyon fontos a hőállású fedőrendszerben. Emellett a kerámiai réteg szorosan összekapcsolódik az aligyelem mátrixszal, és csökkenthető az a belső tömeg, amelyet a takaró hőtágulási együtthatójának nemegyeztetősége okoz. Emellett a teljes takarórendszer hőös égetési ellenállását és oxidációs ellenállását javíthatjuk úgy, hogy magas hőmérsékleten sűrű oxid filmet alkotunk, így meghosszabbítva a hőállású fedőrendszer élettartamát. Jelenleg a kötőréteghez használt anyag általában MCrAlY-kötégből (M Ni, Co vagy Ni+Co, attól függően, hogy milyen célra használják). Ezek közül a NiCoCrAlY gyakran használatos nehéz gázgerendekben, mivel jó összetett tulajdonságai vannak, például oxidációs- és korrozión ellenállóképesség. Az MCrAlY-rendszerben a Ni és a Co mátriselemként van használva. A Ni jó oxidációs ellenállással rendelkezik, míg a Co jó rohamellenállással, ezért azok összetett tulajdonságai (mint például az oxidáció- és korrozión ellenálló képessége) jók. A Cr a takaró korrozión ellenálló képességének javítására szolgál, az Al növeli a takaró oxidációs ellenállását, míg az Y javíthatja a takaró korrozión ellenálló képességét és hőrohamellenállását.

Az MCrAlY rendszer teljesítménye kiváló, de csak 1 100℃-nál alacsonyabb hőmérsékleten használható. A szolgáltatási hőmérséklet növelésének érdekében a gyártók és kutatók sok kutatást végeztek az MCrAlY fedés módosításáról. Például más fémalapozó elemekkel, mint például W, Ta, Hf és Zr [34] dúpolással javították a kötőréteg teljesítményét. YU et al. [35] egy hőálló fedést spritáltek a második generációú nikkelalapú szuperallejusra, amely Pt-módosított NiCoCrAlY kötőrétegből és nanószerkezetű 4 súly%-os ittériumstabilizált cirkoziát (4YSZ) kerámiai rétegből áll. A NiCoCrAlY-4YSZ hőálló fedés hőciklus viselkedését levegőben vizsgálták, valamint a Pt hatását a TGO képzésére és oxidációs ellenállására 1 100℃-nél. Az eredmények azt mutatják, hogy összehasonlítva a Nicocraly-4YSZ-vel, a Pt módosítása előnyös az α-Al2O3 képzésére és a TGO növekedési sebesség csökkentésére, így meghosszabbítva a hőálló fedés élettartamát. GHADAMI et al. [36] felkészítette a NiCoCrAlY nanokompozit fedést ultrahangolt lángspray-el, nanoCEO2-val. A NiCoCrAlY nanokompozit fedéseket 0,5, 1 és 2 súly%-os nanoCEO2-val összehasonlították a konvencionális NiCoCrAlY fedésekkel. Az eredmények azt mutatják, hogy a NICocRALy-1 súly%-os nano-CEO2 kompozitfedés jobb oxidációs ellenállással, magasabb keménységgel és alacsonyabb porossággal rendelkezik, mint a többi konvencionális NiCoCrAlY fedés és a NiCoCrAlY nanokompozit fedések.

Jelenleg, mellett az MCrAlY rendszer alkalmazható a kötési rétegként, a NiAl is kulcsfontosságú anyag a kötési rétegek között. A NiAl főként β-NiAl-ból áll, amely 1200 ℃-nál magasabb hőmérsékleten képes egy folytonos, sűrű oxid filmet alkotni a fedélzeten, és elismerésre számít a legnagyobb potenciával bíró jellemző anyagként az új generációbeli fémbeli kötési rétegek tekintetében. Az MCrAlY-vel és a klasszikus β-NiAl fedékekkel összehasonlítva, a PT-módosított β-NiAl fedékek jobb oxidaszi és korróziós ellenállást mutatnak. Azonban a magas hőmérsékleten képződő oxidfilm rossz illeszkedést mutat, ami jelentősen rövidíti a fedés élettartamát. Ezért javítani kell a NiAl teljesítményét, és a kutatók NiAl-dopálásos módosításokat végeztek. Yang Yingfei stb. [37] elkészítette a NiCrAlY fedőanyagot, a NiAl fedőanyagot, a PT-módosított NiAl fedőanyagot és a Pt+Hf közös dopálásos NiAl fedőanyagot, és összehasonlította ezek négy fedőanyag oxidaszi ellenállását 1100 ℃-nál. Az eredmények szerint a legjobb oxidaszi ellenállást a Pt+Hf közös dopálásos NiAl fedőanyag mutatta. Qiu Lin [38] különböző Al-tartalommal NiAl blokkalitót és különböző Hf/Zr-tartalommal β-NiAl blokkalitót előállított vakuumos arkusz-meltészel, és tanulmányozta az Al, Hf és Zr hatását a NiAl-alitó oxidaszi ellenállására. Az eredmények azt mutatták, hogy a NiAl-alitó oxidaszi ellenállása növekedett az Al-tartalom növekedésével, és a Hf/Zr hozzáadása a β-NiAl-alitóhoz hasznosította az oxidaszi ellenállás javítására, a legoptimálisabb dopálási mennyiségek rendre 0,1 at.% és 0,3 at.% voltak. LI stb. [39] előállított egy új ritka földanyag-módosított β-(Ni, Pt) Al fedőanyag Mo-gyors Ni2Al-alapú szuperalitón elektrodepozícióval és alacsony aktivitású alumínizálási technológiával, és összehasonlította a ritka földanyag-módosított β-(Ni, Pt) Al fedőanyagot a klasszikus β-(Ni, Pt) Al fedőanyaggal. A 1100 ℃-nél történő izotermikus oxidaszi viselkedése Pt) Al fedőanyagnál. Az eredmények azt mutatják, hogy a ritka földanyagok javíthatják a fedőanyag oxidaszi ellenállását.

Összefoglalóban, az MCrAlY és NiAl fedőanyagoknak vannak saját előnyeik és hátrányai, ezért a kutatóknak folytatniuk kell a módosítási kutatásokat ezek két fedőanyaganyag alapján, új metál kötési réteganyagok fejlesztésére törekedve, hogy a tércsatornájú gázgerendelének tartósíról felfedezett hőbárkány szolgáltatiomerőmérséklete magasabb legyen.