Progressi della ricerca e trend di sviluppo delle turbine a gas per impieghi gravosi e dei loro rivestimenti di barriera termica（4）

Proprietà principali del rivestimento di barriera termica della turbina a gas

Poiché il lavoro delle turbine a gas pesanti a terra avviene generalmente in un ambiente complesso e il ciclo di manutenzione è lungo, può arrivare fino a 50,000 ore. Pertanto, al fine di migliorare la tecnologia del rivestimento di barriera termica delle turbine a gas e prolungare la durata utile del rivestimento di barriera termica, negli ultimi anni i ricercatori hanno condotto molte ricerche sulle proprietà chiave del rivestimento di barriera termica, come isolamento termico, resistenza all'ossidazione, resistenza agli shock termici e resistenza alla corrosione CMAS. Tra queste, la ricerca e il progresso dei rivestimenti di barriera termica sull'isolamento termico, la resistenza all'ossidazione e la resistenza agli shock termici sono relativamente sufficienti, ma la resistenza alla corrosione CMAS è relativamente scarsa. Allo stesso tempo, la corrosione CMAS è diventata una delle principali modalità di guasto dei rivestimenti di barriera termica, ostacolando lo sviluppo della prossima generazione di turbine a gas ad alte prestazioni. Pertanto, questa sezione introduce prima brevemente l'isolamento termico, la resistenza all'ossidazione e la resistenza agli shock termici dei rivestimenti di barriera termica, quindi si concentra sui progressi della ricerca del meccanismo di corrosione CMAS e sulla tecnologia di protezione dei rivestimenti di barriera termica nella Sezione 4.

Proprietà di isolamento termico

Con lo sviluppo dell'industria, le turbine a gas ad alte prestazioni hanno avanzato requisiti più elevati per la temperatura di ingresso della turbina. Pertanto, è molto importante migliorare l'isolamento termico del rivestimento di barriera termica. L'isolamento termico del rivestimento di barriera termica è correlato al materiale, alla struttura e al processo di preparazione del rivestimento. Inoltre, anche l'ambiente di servizio del rivestimento di barriera termica influirà sulle sue prestazioni di isolamento termico.

La conduttività termica è generalmente utilizzata come indice di valutazione per le prestazioni di isolamento termico dei rivestimenti barriera termica. Liu Yankuan et al. [48] hanno preparato un rivestimento YSZ drogato con 2 mol.% Eu3+ con APS e, confrontato con il rivestimento YSZ, i risultati hanno mostrato che la conduttività termica del rivestimento YSZ drogato con 2 mol.% Eu3+ era inferiore, ovvero l'isolamento termico del rivestimento YSZ drogato con 2 mol.% Eu3+ era migliore. Si è scoperto che le caratteristiche spaziali e geometriche dei pori nel rivestimento hanno una grande influenza sulla conduttività termica [49]. SUN et al. [50] hanno condotto uno studio comparativo sulla conduttività termica e sul modulo elastico dei rivestimenti barriera termica con diverse strutture dei pori. I risultati mostrano che la conduttività termica e il modulo elastico del rivestimento barriera termica diminuiscono con la diminuzione delle dimensioni dei pori e maggiore è la porosità, minore è la conduttività termica. Numerosi studi hanno dimostrato che, rispetto al rivestimento EB-PVD, il rivestimento APS ha un migliore isolamento termico, perché il rivestimento APS ha una porosità maggiore e una conduttività termica inferiore [51]. RATZER-SCHEIBE et al. [52] hanno studiato l'effetto dello spessore del rivestimento di EB-PVD PYSZ sulla conduttività termica e i risultati hanno mostrato che lo spessore del rivestimento di EB-PVD PYSZ ha influenzato notevolmente la sua conduttività termica, ovvero lo spessore del rivestimento era anche uno dei fattori importanti che influenzavano le prestazioni di isolamento termico del rivestimento barriera termica. I risultati della ricerca di Gong Kaisheng et al. [53] mostrano anche che nell'intervallo di spessore dell'effettiva applicazione del rivestimento, le prestazioni di isolamento termico del rivestimento sono proporzionali al suo spessore e alla differenza di temperatura ambientale. Sebbene le prestazioni di isolamento termico del rivestimento barriera termica saranno migliorate con l'aumento dello spessore, quando lo spessore del rivestimento continua ad aumentare fino a un certo valore, è facile causare una concentrazione di stress nel rivestimento, con conseguente guasto precoce. Pertanto, per migliorare le prestazioni di isolamento termico del rivestimento e prolungarne la durata, è necessario regolarne ragionevolmente lo spessore.

Resistenza all'ossidazione

In condizioni di ossidazione ad alta temperatura, uno strato di TGO si forma facilmente nel rivestimento di barriera termica. L'influenza di TGO sul rivestimento di barriera termica [54] ha due lati: da un lato, il TGO formato può impedire all'ossigeno di continuare a diffondersi verso l'interno e ridurre l'influenza esterna sull'ossidazione della matrice di lega. D'altro canto, con l'ispessimento continuo di TGO, dovuto al suo grande modulo elastico e alla grande differenza tra il suo coefficiente di dilatazione termica e lo strato adesivo, è anche relativamente facile produrre un grande stress durante il processo di raffreddamento, che farà cadere rapidamente il rivestimento. Pertanto, al fine di prolungare la durata del rivestimento di barriera termica, è urgente migliorare la resistenza all'ossidazione del rivestimento.

XIE et al. [55] hanno studiato la formazione e il comportamento di crescita del TGO, che era principalmente diviso in due fasi: prima, una densa α-Si è formato un film di Al2O3 sullo strato legante, e poi si è formato un ossido misto poroso tra lo strato ceramico e α-Al2O3. I risultati mostrano che la sostanza principale che causa crepe nel rivestimento di barriera termica è l'ossido misto poroso in TGO, non α-Al2O3. LIU et al. [56] hanno proposto un metodo migliorato per simulare il tasso di crescita di TGO attraverso l'analisi numerica dell'evoluzione dello stress in due fasi, in modo da prevedere con precisione la durata dei rivestimenti di barriera termica. Pertanto, lo spessore di TGO può essere efficacemente controllato controllando il tasso di crescita di ossidi misti dannosi porosi, in modo da evitare guasti prematuri dei rivestimenti di barriera termica. I risultati mostrano che la crescita di TGO può essere ritardata utilizzando un rivestimento di barriera termica a doppia ceramica, la deposizione di uno strato protettivo sulla superficie del rivestimento e il miglioramento della densità della superficie del rivestimento, e la resistenza all'ossidazione del rivestimento può essere migliorata in una certa misura. AN et al. [57] hanno utilizzato la tecnologia APS per preparare due tipi di rivestimenti di barriera termica: la formazione e il comportamento di crescita di TGO sono stati studiati mediante test di ossidazione isotermica a 1 100℃. Il primo è il rivestimento a doppia barriera in ceramica YAG/YSZ (DCL TBC) e il secondo è il rivestimento a barriera in ceramica singola YSZ (SCL TBC). I risultati della ricerca mostrano che il processo di formazione e crescita del TGO segue le leggi della termodinamica, come mostrato nella Figura 5: Secondo la formula (1) ~ (8), Al2O3 si forma per primo, quindi l'ossidazione dello ione Y forma uno strato estremamente sottile di Y2O3 sulla superficie di Al2O3 TGO, e i due reagiscono tra loro per formare Y3Al5O12. Quando lo ione Al viene ridotto a un certo valore, altri elementi metallici nello strato di legame si ossidano prima e dopo la formazione di ossidi misti (Cr2O3, CoO, NiO e ossidi di spinello, ecc.), formando prima Cr2O3, CoO, NiO e quindi reagendo con (Ni, Co) O e Al2O3 per formare (Ni, Co) Al2O4. (Ni, Co) O reagisce con Cr2O3 per formare (Ni, Co) Al2O4. Rispetto a SCL TBC, la formazione e la velocità di crescita di TGO in DCL TBC sono più lente, quindi ha migliori proprietà antiossidanti ad alta temperatura. Xu Shiming et al. [58] hanno utilizzato lo sputtering magnetron per depositare una pellicola sulla superficie del rivestimento 7YSZ. Dopo il trattamento termico, α-Lo strato di Al2O3 è stato generato tramite reazione in situ. Lo studio ha mostrato che il α-Lo strato di Al2O3 formato sulla superficie del rivestimento potrebbe migliorare la resistenza all'ossidazione del rivestimento impedendo la diffusione degli ioni di ossigeno. FENG et al. [59] hanno dimostrato che la rifusione laser della superficie del rivestimento APS YSZ può migliorare la resistenza all'ossidazione del rivestimento, principalmente perché la rifusione laser può migliorare la densificazione del rivestimento, ritardando così la crescita di TGO.

Resistenza agli shock termici

Quando i componenti hot end delle turbine a gas per impieghi gravosi sono in servizio in ambienti ad alta temperatura, spesso subiscono shock termici causati da rapidi cambiamenti di temperatura. Pertanto, le parti in lega possono essere protette migliorando la resistenza agli shock termici del rivestimento barriera termica. La resistenza agli shock termici del rivestimento barriera termica è generalmente testata tramite test di cicli termici (shock termico), prima mantenuto ad alta temperatura per un periodo di tempo, e poi rimosso per il raffreddamento ad aria/acqua in un ciclo termico. La resistenza agli shock termici del rivestimento barriera termica è valutata confrontando il numero di cicli termici sperimentati dal rivestimento quando si rompe. Studi hanno dimostrato che la resistenza agli shock termici del rivestimento barriera termica a struttura a gradiente è migliore, principalmente perché lo spessore del rivestimento barriera termica a struttura a gradiente è piccolo, il che può ritardare lo stress termico nel rivestimento [60]. ZHANG et al. [61] hanno eseguito test di ciclo termico a 1 000℃ sulle tre forme di rivestimenti barriera termica a punti, strisce e griglie ottenuti mediante rifusione laser del rivestimento barriera termica NiCrAlY / 7YSZ, e hanno studiato la resistenza agli shock termici di campioni spruzzati e tre campioni con forme diverse dopo il trattamento laser. I risultati mostrano che il campione a punti ha la migliore resistenza agli shock termici e la durata del ciclo termico è doppia rispetto a quella del campione spruzzato. Tuttavia, la resistenza agli shock termici dei campioni a strisce e a griglia è peggiore di quella dei campioni spruzzati, come mostrato nella Figura 6. Inoltre, un gran numero di studi ha dimostrato che alcuni nuovi materiali di rivestimento hanno una buona resistenza agli shock termici, come SrAl12O19 [62] proposto da ZHOU et al., LaMgAl11O19 [63] proposto da LIU et al. e Sm2 (Zr0.7Ce0.3) 2O7 [64] proposto da HUO et al. Pertanto, per migliorare la resistenza agli shock termici del rivestimento barriera termica, oltre alla progettazione strutturale e all'ottimizzazione del rivestimento, è possibile trovare e sviluppare nuovi materiali con una buona resistenza agli shock termici.