התקדמות מחקר וטנדים של פיתוח טורבינות גז כבדות והכיסויים התרמיים שלהם (2)

כיסוי מחסום תרמי

רקעarrière של מחקר על כיסויי מחסום תרמי

מאז הפיתוח הצלחתי של הטורבינה הראשונה ב-1920, הטורבינה תמיד שיחקה תפקיד מרכזי בתחום ייצור החשמל והנעה. בנוסף, עם התפתחותה של הטכנולוגיה התעשייתית, רמת הטכנולוגיה של טורבינות גז כבדות מתפתחת כל הזמן, ודרך איזו דרך לשפר את המ[--]תפקוד של טורבינות גז כבדות נעשה יותר דחוף. לוח טורבינה הוא אחד מהרכיבים החשובים של מערכת ההצ-ajax של טורבינת גז כבדה. עלייה בטמפרטורת כניסה לטורבינה יכולה לשפר בצורה יעילה את המ[--]תפקוד של טורבינת גז כבדה. לכן, חוקרים רלוונטיים יכולים לעבוד כדי להעלות את טמפרטורת הכניסה לטורבינה. כדי לענות על הצרכים הגוברים של טמפרטורות פעילות עבור טורבינות גז יעילות בעתיד, בדרך כלל מפזרים כיסוי מחסום תרמי על פני רכיבי הקצה החם.

ב-1953, הושם לראשונה הרעיון של תכשיט חסימת חום על ידי מרכז המחקר נאס"א-לואיס שבארצות הברית [13], כלומר, תכשיט קרמי הוא מסprüי על פני חלקים שעובדים בסביבה חמה באמצעות טכנולוגיית ספיה חמה, כדי לספק חימום והגנה, להפחית את טמפרטורת פני השפה, להפחית את צריכת הדלק של המנוע ולהאריך את תקופת החיים של השפה. תכשיט חסימת חום נמצא בשימוש נרחב ברכיבי הקצה החם של גזיות תעשייתיות ומנועי אוויר (שפות טורבינה ומרחצאות וכו'), בשל התכונות המצוינות שלו כמו עלות הכנה נמוכה והגנה טובה מפני חום, והוא מוכר בינלאומית כטכנולוגיה קדמית לייצור גזיות כבדות.

מבנה מערכת של תכשיט חסימת חום

• עם התפתחותה וההתקדמותה של המדע והטכנולוגיהולוגיה, טמפרטורת הכניסה של גזוניות עולה יותר ויותר. כדי להשיג את אפקט החימום הטוב ביותר של תכשיט חסימת חום, רוב המחקרים ברחבי העולם מתמקדים בעיצוב המבנה של תכשיט חסימת החום, מה שמציג בבירור את חשיבותו של המבנה של תכשיט חסימת החום [14]. על פי המבנה השונים של הקוטר, הוא יכול להיבדל למבנה דו-שכבתי, רב-שכבות ומבנה מדרגות [15].
• ביניהם, הקוטר הדו כפול השכבות של תחתית חום המורכבת משכבה קרמית ושכבה מחוברת, כהשכבה הפשוטה והנובעת יותר מבין כל מבני השכבות, נמצאת בשימוש רוחב בטכנולוגיה של שכבות חסימת חום. בינהם, השכבה הכפולה הפופולרית ביותר של חסימת חום משתמשת ב-6-8% יטריום יציב זירקוניה (6-8YSZ) כחומר שכבה חיצונית קרמית, ובדגש על התאמה MCrAlY (M=Ni, Co, Ni+Co וכו') כחומר שכבה מתכתית מחוברת [16]. עם זאת, בגלל אי התאמה בין מקדם הרחבת החום של השכבה הקרמית לשכבה המתכתית המחוברת, קל להפיק מתחים בשכבה ולגרום לנפילתה מוקדם.
• כדי לשפר את הביצועים של תכשיט החום, חוקרים הכינו תכשיט חום בעל מבנה מרובע עם מבנה יחסית מורכב (תפירה מורכבת), כלומר, מספר שכבות של חומרי חסימה ומעקב הוספו על בסיס התכשיט החום הדו-שכתי, בדרך כלל חמישה שכבות. ביניהן, שכבות החסימה שהכי נחקרו כוללות בעיקר Al2O3, NiAl וכו' [17]. פנג ועמיתיו [18] השתמשו ב-APS כדי להכין תכשיט חום YSZ ותכשיט חום LZ/YSZ (תכשיט חום דו-קרמי של La2Zr2O7 / ZrO2-Y2O3), והשתמשו בטכנולוגיית איחוד לייזר כדי לאחד מחדש את פני השכבה, ולאחר מכן ביצעו מבחן חמצון בטמפרטורה גבוהה של 1,100℃. התוצאות מראות שבדיוק בהשוואה לתכשיט חום YSZ, ל-Tkjshyt LZ/YSZ יש התנגדות חמצון טובה יותר. למרות שהביצועים של תכשיט חום מרובע טובים יותר מאלו של תכשיט חום דו-שכתי, המבנה וההכנה שלו מסובכים יותר, והם בעלי התנגדות לקיפוח תרמית גרועה יותר, ולכן השימוש מעשי שלו מוגבל. לכן, תכשיט החום בעל המבנה הדרגתי בא לעולם.
• הכיסוי המפריד תרמי בעל מבנה גרדיאנטי מאופיין בשינוי גרדיאנט רציף של הרכבה ומבנה לאורך כיוון עובי הכיסוי, מה שגורם לגבול בין השכבות להיות לא ברור. בהשוואה למבנים דו-שכבתיים ורב-שכבתיים, הכיסוי המפריד תרמי בעל המבנה הגרדיאנטי לא רק שהוא מסוגל לעמוד במחוות תרמאל יוצאות דופן, אלא גם מראה שינוי גרדיאנט רציף ביצואים, ולכן יש לו תכונות להפחתת לחץ תרמי והוא יכול לשמש בסביבה תרמית גבוהה קשוחה. טכנולוגיות התזוזה התרמית העיקריות של כיסויים מפרידים תרמאלים עם גרדיאנט פונקציונלי נ-reviewed על ידי מר. למרות שיש מגוון שיטות הכנה, הכיסוי המפריד תרמי בעל המבנה הגרדיאנטי הוא לא טוב בפועל בגלל תהליך ההכנה המורכב שלו, קשה לשלוט ברכיבי המבנה והעלות הגבוהה.
• בתקציר, הקוטר התורמי דו-השכבות הוא בשימוש נרחב והתהליך שלו הוא בשלמות, והוא עדיין הצורה המועדפת של קוטר תורמי. השכבה החרצית והשכבה הקושרת [20] מונחות על המטריקס העloys באמצעות טכנולוגיית ריסוס תורמי. תחת תנאים של חמצון בתמפרטורות גבוהות, שכבה דקה של חמצן גדל תורמית נוצרת על פני השכבה הקושרת לאחר החמצון, כפי שמוצג בתרשים 1. ביניהם, המטריקס העloys, כרכיב מוגן על ידי הקוטר התורמי, יכול לשמש בהעמסה של עומסים מכניים חיצוניים, והחומר שלו הוא בעיקר עloys ניקל עם התנגדות לתמפרטורות גבוהות וחמצון. תפקיד השכבה הקושרת הוא להגביר את הכוח הקושר בין השכבה החרצית למטריקס העloys, העובי שלה הוא בדרך כלל 50 ~ 150µm, והחומר שנבחר בדרך כלל הוא MCrAlY (M=Ni/Co/Ni+Co), שיש לו הפרש קטן במקדם הרחיבה התורמית של המטריקס העloys. חמצן גדל תורמי (TGO) הוא בעיקר סוג של שכבת דקוק α-Al2O3 שנוצרת בין השכבה החרצית לשכבה הקושרת תחת סביבת חמצון בתמפרטורות גבוהות, בעובי של 1 ~ 10 µm, אשר יש לו השפעה גדולה על הקוטר. השכבה החרצית יש לה תפקידי חימום, התנגדות לקריזים והתנגדות לשבבים [21], העובי שלה הוא בדרך כלל 100 ~ 400 μm, והחומר שלה הוא בעיקר 6-8YSZ עם מקדם התפשטות תורמית גבוה יחסית ומעבר חום נמוך [22].

חומרים חומרים של כיסוי מחסום תרמי

הטמפרטורה של הכניסה לפין הטורבינה קשורה קשר הדוק להיעול העבודה שלה. רק על ידי העלאה של טמפרטורת הכניסה לפין הטורבינה ניתן לשפר את ההיעול. עם זאת, עם התפתחותה של המדע והטכנולוגיהולוגיה והתעשייה, טמפרטורת העבודה של חלקי הקצה החמים של טורבינות גז כבדות ממשיכה לעלות, ואילו הטמפרטורה המרבית של הפין הטורבינה מבוססת הניקל היא 1150℃, מה שאומר שהיא כבר לא יכולה לעבוד בטמפרטורות גבוהות יותר. לכן, יש צורך דחוף לגלות ולפתח חומרי תכבות מחסום תרמי בעלי תכונות יוצאות דופן. ביניהם, בגלל שתנאי השימוש של תכבות המחסום התרמי הם רעים מאוד, תנאים לבחירת חומרי תכבות המחסום התרמי הם חזקים במיוחד בפועל. בדרך כלל מבקשים שהשכבת瓂רמיקה תהיה בעלת נפיצה תרמית נמוכה ונקודת א whiteColor גבוהה, ולא תחלוף לתהליך שינוי פאזה הטמפרטורה בין טמפרטורת החדר לטמפרטורת שימוש, וכן שתיהיה לה מקדם澎ציבה תרמית גבוה, התנגדות יוצאת דופן לשבבים תרמיים, התנגדות לסintering (הידוק) וההתנגדות לקרות [24]. השכבה הלחוצה צריכה להיות בעלת התנגדות לקרות, התנגדות לאוקסידציה, עוצמה לחיוט טובה ותכונות אחרות [25-26].

חומר שכבה קרמית

המצבים הקשים של שירות של תכשיט חסימת חום מגבילים את בחירת החומרים שלו. כיום, חומרי חסימת החום מתאימים לשימוש מעשי הם מוגבלים מאוד, בעיקר חומרים YSZ ו-YSZ עם דופי אוקסיד ארצים נדירים.

(1) צירקוניה מאובטחת באוקסיד יטריום

בזמננו, בין חומרי קרמיקה, מושך ZrO2 את תשומת הלב בשל נקודת התהודה הגבוהה שלו, מוליכות תרמית נמוכה, מקדם הרחבה תרמית גבוה ועמידות גבוהה בפני שברים. עם זאת, ZrO2 טהור יש לו שלוש צורות קרסטל: פאזה מונוקלינית (m), פאזה קובית (c) ופאזה טטרגונלית (t), ו-ZrO2 טהור קל לעבור אתFORMATION הפיכת הפאזה, מה שגורם לשינוי נפח, מה שיש לו השפעה שלילית על חיי המכסה. לכן, ZrO2 מוסיף לרוב יציבות באמצעות סטבילייזרים כמו Y2O3, CaO, MgO ו-Sc2O3 כדי לשפר את יציבות הפאזה שלו. ביניהם, 8YSZ יש לו את ההופעה הטובה ביותר, יש לו קשיחות מספקת (~ 14 GPa), צפיפות נמוכה (~ 6.4 Mg·m-3), מוליכות תרמית נמוכה (~ 2.3 W·m-1 ·K-1 ב-1000℃), נקודת תהודה גבוהה (~ 2700℃), מקדם הרחבה תרמית גבוה (1.1×10-5 K-1) ואחרים תכונות מצוינות. לכן, כחומר שכבה קרמי, הוא נמצא בשימוש רחב במכסים נגד חום.

(2) אוקסידים נדירים מוספים ל-YSZ

כש-YSZ עובד בסביבה מעל 1,200 °C למשך זמן רב, בדרך כלל מתרחשים מעברים פאזה וסינטראציה. מצד אחד, הפאזה הטטרגונלית לא-מתקדמת t' נמשכת לפה של חתך קובייתי c ומix טטרגונלי t, ובמהלך הקירור, t' מופץ לפה מונוקלינית m, והמעבר הפאזה מתרחש באופן רציף עם שינוי הנפח, מה שגורם להיפוך מהירה של התיאור [27]. מצד שני, הסינטראציה מפחיתה את החוליות במעטה, מפחיתה את הביצועי העמידות תרמית וההסתגלות לחוסן של המעטה, ומציבה את הקשיחות והמודולוס האלסטי, מה שמשפיע בצורה כבדה על הביצועים והחיים של המעטה. לכן, YSZ לא יכול להיות מיושם לדור הבא של מנועי גז כבדים.

בכלל, ניתן לשפר את הביצועים של YSZ על ידי שינוי או הגדלת סוג המיציב של צירקוניה, כמו שיטת התערובת של YSZ עם אוקסידים נדירים [28-30]. נמצא כי ככל שההבדל ברדיוס בין יונים Zr ליונים התואמים גדול יותר, כך ריכוז החסרונות גבוה יותר, מה שמשפר את התפזרות הפוןונים ומפחית את התולעתותיות [31]. CHEN ואחרים [32] השתמשו ב-APS כדי להכין שכבה קרמית של מסך חום (LGYYSZ) עם YSZ התוארתית באוקסידי La2O3, Yb2O3 ו-Gd2O3, והשיגו את מקדם הרחיבה התרמי ואת התולעתותיות של מסך החום באמצעות מדידה וחישוב, וביצעו מבחן מחזור תרמי בטמפרטורה של 1400℃. התוצאות מראות כי בהשוואה לเคลף YSZ, יש לקלף LGYYSZ תולעתותיות תרמית נמוכה יותר, חיי מחזור תרמי ארוכים יותר ויציבות פאזה טובה בטמפרטורה של 1500℃. לי ג'י'A ואחרים [33] הכינו אבקת YSZ התוארתית באוקסידי Gd2O3 ו-Yb2O3 בשיטת הקופצ'ה כימית והכינו קלף YSZ התוארתית באוקסידי Gd2O3 ו-Yb2O3 באמצעות APS, ובוחנים את השפעת כמויות שונות של התאורה על יציבות הפאזה של הקלף. התוצאות מראות כי יציבות הפאזה של קלף YSZ התוארתית באוקסידי Gd2O3 ו-Yb2O3 טובה יותר מזו של קלף 8YSZ מסורתי. לאחר טיפול תרמי בטמפרטורה גבוהה, יש פחות פאזה m כאשר כמות ההתאורה נמוכה, ופאזה קובית יציבה נוצרת כאשר כמות ההתאורה גבוהה.

בשונה מה-YSZ מסורתי, החומר הקירמי YSZ המודifié החדש יש לו תרמאותיות נמוכה יותר, מה שמאפשר למכסה של מחסום תרמי להיות עם תכונות חימום עצם טובות יותר, ומספק בסיס חשוב לחקר מחסומי חום ביצועים גבוהים. עם זאת, התכונות השולבות של ה-YSZ המסורתית טובות, והיא בשימוש רחבה ולא יכולה להוחלף על ידי כל YSZ מודifikasi.

חומר שכבה קשורה

השכבה המחברת היא מאוד חשובה במערכת השכבה התרמית. בנוסף, ניתן לבנות את השכבה החרסית בצורה קרובת למאטריקס האלוי, וניתן להפחית את מתח הפנימי שנגרם על ידי אי התאמה בין מקדם הרחיבה התרמי של השכבה.ßerdem, ניתן לשפר את התנגדות הקורוזיה התרמית והออกסידציה של כל מערכת השכבה על ידי ייצור סדיניות חמצנית צפופה בטמפרטורות גבוהות, מה שיארך את חיי המערכת התרמית. כיום, החומר המשמש לשכבה המחברת הוא בדרך כלל אלוי MCrAlY (M הוא Ni, Co או Ni+Co, תלוי בשימוש). ביניהם, NiCoCrAlY נמצא בשימוש נרחב בטורבינות גז כבדות בגלל תכונותיו המיטביות כמו התנגדות לאוקסידציה וקורוזיה. במערכת MCrAlY, Ni ו-Co משמשים כאלמנטים בסיסיים. בגלל התנגדות האוקסידציה הטובה של Ni והתנגדות העייפות הטובה של Co, יש לתכונות המיטביות של Ni+Co (כמו התנגדות לאוקסידציה וקורוזיה) תכונות טובות. בעוד ש-Cr משמש כדי לשפר את התנגדות הקורוזיה של השכבה, Al יכול לשפר את התנגדות האוקסידציה של השכבה, ו-Y יכול לשפר את התנגדות הקורוזיה וההשפעה התרמית של השכבה.

ביצועי המערכת MCrAlY מצוינים, אך ניתן להשתמש בהם רק לעבודה מתחת ל-1100°C. על מנת להגדיל את טמפרטורת השירות, היצרנים והחוקרים הרלוונטיים ביצעו מחקר רב על שינוי ציפוי MCrAlY. לדוגמה, דופינג של אלמנטים אחרים של סגסוגות כגון W, Ta, Hf ו- Zr [34] כדי לשפר את ביצועי שכבת הקשר. YU et al. [35] ריססו כיסוי מחסום תרמי מורכב מסתם פט מודופד של NiCoCrAlY ושכבה ננו מובנית של 4 wt.% זירקוניה יטריום יציבה (4YSZ) על סופרליגה מבוססת ניקל מהדור השני. התנהגות המחזור החום של כיסוי מחסום חום של NiCoCrAlY-4YSZ באוויר והשפעת Pt על היווצרות עמידות חמצון של TGO נבדקה ב - 1 100 ° C. התוצאות מראות כי בהשוואה ל- Nicocraly-4YSZ, השינוי של NiCoCrAlY על ידי Pt מועיל ליווצרות של α-Al2O3 והפחתת קצב הצמיחה של TGO, ובכך להאריך את חיי ציפוי המחסום החום. GHADAMI et al. [36] הכנה ציפוי ננו-רכבני של NiCoCrAlY על ידי ריסוס להבה סופר סוני עם nanoCEO2. ציפוי הנאנו-מובחר של NiCoCrAlY עם 0.5, 1 ו - 2 wt.% nanoCEO2 השווה עם ציפוי הנאנו-מובחר של NiCoCrAlY. התוצאות מראות כי כיסוי קומפוזיטי NICocRALy-1 wt.% ננו-CEO2 יש עמידות חמצון טובה יותר, קשיחות גבוהה יותר ופורות נמוכה יותר מאשר כיסוי NiCoCrAlY קונבנציונלי אחר וכיסוי ננו-קומפוזיטי NiCo

בזמן הזה, בנוסף למערכת MCrAlY שיכולה להישתמש שכבה ליניארית, NiAl הוא גם חומר מפתח לשכבה ליניארית. NiAl מורכב בעיקר מ-β-NiAl, אשר יוצר סדינה צפופה ורציפה על פני השכבה בטמפרטורות גבוהות מ-1200℃, והוכרה כחומר המועמד הפוטנציאלי ביותר לשכבה מתכתית חדשה של דבקה. בהשוואה ל-MCrAlY ולשכבות β-NiAl מסורתיות, שכבות β-NiAl מודיפיקציה PT יש להן התנגדות אוקסידציה וקריסה טובה יותר. עם זאת, הסדינה שנוצרת בטמפרטורות גבוהות יש לה הדבקה גרועה, מה שיגרום לקיצור גדול בחיי השכבה. לכן, כדי לשפר את הביצועים של NiAl, חוקרים ביצעו מחקרים של תוספת חומרים ל-NiAl. יאנג יינגפיי ואחרים [37] הכינו שכבה של NiCrAlY, שכבה של NiAl, שכבה של NiAl מודיפיקציה PT ושכבה של NiAl דו-תוספות Pt+Hf, והשוונו את ההתנגדות לאוקסידציה של ארבע השכבות האלה בטמפרטורה של 1100℃. התוצאות הסופיות הראו שהשכבה עם ההתנגדות האוקסידציה הטובה ביותר היא שכבה של NiAl דו-תוספות Pt+Hf. קיוו לין [38] הכין אלוי בלוק NiAl עם אחוזי Al שונים ואלוי בלוק β-NiAl עם אחוזי Hf/Zr שונים באמצעות פחמן קשתvakum, וביקר את השפעתם של Al, Hf ו-Zr על ההתנגדות לאוקסידציה של אלוי NiAl. התוצאות הראו שההתנגד התנגדות לאוקסידציה של אלוי NiAl גדלה עם עליית אחוזי Al, והוספת Hf/Zr באלוי β-NiAl הייתה מועילה לשיפור ההתנגדות לאוקסידציה, והנחות התוספת האופטימליות היו 0.1 at.% ו-0.3 at.% בהתאמה. לי ואחרים [39] הכינו אלוי חדש מודifikasi אדמה נדירה β- (Ni, Pt) Al על בסיס נikel-על-Mo על ידי טכנולוגיית אלקטרודיפוזיה ואלומיניזציה בעלת פעילות נמוכה, והשוונו את השכבה המודיפיקציה אדמה נדירה β- (Ni, Pt) Al עם השכבה המסורתית β- (Ni, Pt) Al. התנהגות האוקסידציה איזותרמית של שכבה Pt) Al בטמפרטורה של 1100℃. התוצאות הראו שאיברי אדמה נדירה יכולים לשפר את ההתנגדות לאוקסידציה של השכבה.

במהלך, לוחות MCrAlY ו-NiAl יש להם יתרונות וחסרונות משלהם, לכן על חוקרים להמשיך במחקר שיפור על בסיס חומרי הלוחות האלה, בחיפוש אחר פיתוח חומרים חדשים של שכבה מתכתית להדבקה, כך שיוכלו להעלות את טמפרטורת השימוש של השכבה המפרידת תרמית לטורבינות גז כבדות.