Progressi della ricerca e trend di sviluppo delle turbine a gas per impieghi gravosi e dei loro rivestimenti di barriera termica（3） Italia

2.1 Preparazione del rivestimento di barriera termica

In una certa misura, la microstruttura del rivestimento barriera termica non solo influenza l'isolamento termico, la resistenza all'ossidazione e altre proprietà del rivestimento, ma determina anche la durata del rivestimento. La microstruttura del rivestimento barriera termica dipende non solo dal materiale utilizzato, ma anche dal suo processo di preparazione. Pertanto, è anche importante scegliere il processo di preparazione appropriato in base ai diversi requisiti di preparazione. Esistono molti modi per preparare rivestimenti barriera termica, ma sono principalmente divisi in due categorie: uno è il metodo di spruzzatura termica e l'altro è il metodo di deposizione fisica da vapore. Tra questi, il metodo di spruzzatura termica include principalmente il metodo di spruzzatura supersonica, il metodo di spruzzatura al plasma, il metodo di spruzzatura a esplosione e così via. Il rivestimento preparato mediante spruzzatura termica è sfogliato. Il metodo di deposizione fisica da vapore è principalmente la deposizione fisica da vapore a fascio di elettroni (EB-PVD) e il rivestimento preparato è colonnare. Lo strato ceramico del rivestimento barriera termica è spesso utilizzato mediante deposizione fisica da vapore a fascio di elettroni, spruzzatura al plasma atmosferico e altri metodi. Lo strato di legame metallico adotta principalmente tecnologie di spruzzatura termica come la spruzzatura al plasma atmosferico (APS), la spruzzatura al plasma a bassa pressione (LPPS) e la spruzzatura a fiamma supersonica (HVOF) [40]. Fino ad ora, APS ed EB-PVD sono i metodi principali per preparare rivestimenti di barriera termica per turbine a gas.

2.1.1 Spruzzatura di plasma atmosferico

APS è un tipo di arco a corrente continua generato dalla pistola a spruzzo per convertire Ar, He, N2 e altri gas in getti di plasma, in modo che la polvere ceramica e la polvere metallica trasportate dal gas vettore possano essere rapidamente riscaldate e fuse in particelle fuse o semi-fuse. Tecnologia per formare un rivestimento sulla superficie della matrice di superlega impattandola con una grande energia cinetica (80 ~ 300 m/s) sotto l'azione del campo elettrico [42]. Il rivestimento di barriera termica preparato dalla tecnologia APS è composto da numerose particelle impilate e la matrice è principalmente legata meccanicamente alla microstruttura lamellare, che contiene molti difetti paralleli alla matrice della lega, come pori e micro-fessure (come mostrato nella Figura 2). Le ragioni della formazione sono le seguenti: in condizioni di alta temperatura, la ceramica o il metallo si scioglieranno per formare particelle fuse e conterranno alcuni gas ambientali, ma la velocità di raffreddamento del rivestimento è molto rapida, il che farà sì che il gas disciolto nelle particelle fuse nel processo di deposizione non possa essere precipitato in tempo e quindi formare pori; Allo stesso tempo, un legame insufficiente tra particelle fuse porterà anche alla formazione di pori e crepe nel rivestimento. Pertanto, se l'APS viene utilizzato per preparare rivestimenti di barriera termica, la sua porosità è elevata e ha buone prestazioni di isolamento termico, ma i suoi svantaggi sono una tolleranza di deformazione insufficiente e una scarsa resistenza agli shock termici [43], ed è utilizzato principalmente per parti con un ambiente di lavoro relativamente buono. Inoltre, l'APS è economico da preparare, quindi può essere applicato a parti più grandi.

2.1.2 Deposizione fisica da vapore con fascio di elettroni

EB-PVD è una tecnologia che utilizza un fascio di elettroni ad alta densità di energia per riscaldare la polvere di rivestimento in una camera a vuoto e formare una pozza fusa sulla superficie della polvere per vaporizzare la polvere ceramica e depositarla sulla superficie del substrato in uno stato atomico per formare un rivestimento di barriera termica [45], come mostrato nella Figura 3. La struttura del rivestimento EB-PVD è una struttura cristallina colonnare perpendicolare alla matrice della lega e il rivestimento e la matrice sono principalmente legati dalla metallurgia. La superficie non è solo liscia, ma ha anche una buona densità, quindi ha un'elevata forza di legame, tolleranza alla deformazione e resistenza agli shock termici. Viene applicato principalmente a parti con ambienti di lavoro difficili, come le pale del rotore della turbina a gas. Tuttavia, il costo di preparazione del rivestimento EB-PVD è elevato e possono essere preparati solo rivestimenti sottili e le dimensioni strutturali delle parti hanno determinati requisiti, quindi viene raramente utilizzato nelle turbine a gas.

I due processi di preparazione di cui sopra sono molto maturi, ma presentano ancora i loro problemi, come mostrato nella Tabella 2. Negli ultimi anni, i ricercatori competenti stanno costantemente migliorando e creando nuovi metodi di preparazione del rivestimento di barriera termica. Attualmente, tra i nuovi metodi di preparazione del rivestimento di barriera termica comunemente utilizzati, il più importante è la tecnologia di deposizione fisica da vapore mediante spruzzatura al plasma (PS-PVD), che è riconosciuta come uno dei metodi di preparazione del rivestimento di barriera termica più promettenti ed efficaci.

2.1.3 Deposizione fisica da vapore mediante spruzzatura al plasma

La tecnologia PS-PVD è sviluppata sulla base della spruzzatura al plasma a bassa pressione. La struttura del rivestimento preparata con questo metodo è a pennacchi e colonne, e i pori nel rivestimento sono numerosi e gli spazi sono grandi, come mostrato nella Figura 4. Pertanto, la tecnologia PS-PVD ha migliorato il problema dell'isolamento termico insufficiente del rivestimento EB-PVD e della scarsa resistenza agli shock termici del rivestimento APS, e il rivestimento barriera termica preparato dalla tecnologia PS-PVD ha un'elevata forza di legame, buone prestazioni di isolamento termico e buona resistenza agli shock termici, ma scarsa resistenza alla corrosione e resistenza all'ossidazione del CMAS. Su questa base, ZHANG et al. [41] hanno proposto un metodo per modificare il rivestimento barriera termica PS-PVD 7YSZ con Al2O3. I risultati sperimentali mostrano che la resistenza all'ossidazione e la resistenza alla corrosione CMAS del rivestimento barriera termica 7YSZ preparato dalla tecnologia PS-PVD possono essere migliorate mediante modifica dell'alluminizzazione.