התקדמות מחקר ומגמת פיתוח של טורבינות גז כבדות וציפוי מחסום תרמי שלהן (4) יִשְׂרָאֵל

תכונות מפתח של ציפוי מחסום תרמי של טורבינת גז

מכיוון שהעבודה של טורבינות גז כבדות קרקע היא בדרך כלל בסביבה מורכבת, ומחזור התחזוקה ארוך, היא יכולה להגיע עד 50,000 שעות. לכן, על מנת לשפר את טכנולוגיית ציפוי המחסום התרמי של טורבינת גז ולהאריך את חיי השירות של ציפוי מחסום תרמי, בשנים האחרונות, חוקרים ערכו מחקר רב על תכונות המפתח של ציפוי מחסום תרמי, כגון בידוד חום, עמידות לחמצון, עמידות בפני זעזועים תרמיים ועמידות בפני קורוזיה CMAS. ביניהם, המחקר וההתקדמות של ציפוי מחסום תרמי על בידוד חום, עמידות חמצון ועמידות בפני זעזועים תרמיים מספיקים יחסית, אך העמידות בפני קורוזיה CMAS מועטה יחסית. במקביל, קורוזיה CMAS הפכה למצב כשל מרכזי של ציפוי מחסום תרמי, מה שמפריע להתפתחות הדור הבא של טורבינות גז בעלות ביצועים גבוהים. לכן, חלק זה מציג תחילה בקצרה את הבידוד התרמי, עמידות החמצון ועמידות הלם תרמי של ציפוי מחסום תרמי, ולאחר מכן מתמקד בהתקדמות המחקר של מנגנון קורוזיה CMAS וטכנולוגיית הגנה של ציפוי מחסום תרמי בסעיף 4.

נכס בידוד חום

עם התפתחות התעשייה, טורבינות גז עם ביצועים גבוהים הציגו דרישות גבוהות יותר לטמפרטורת כניסת הטורבינה. לכן, חשוב מאוד לשפר את הבידוד התרמי של ציפוי המחסום התרמי. הבידוד התרמי של ציפוי המחסום התרמי קשור לחומר, למבנה ולתהליך ההכנה של הציפוי. בנוסף, סביבת השירות של ציפוי המחסום התרמי תשפיע גם על ביצועי הבידוד התרמי שלו.

מוליכות תרמית משמשת בדרך כלל כמדד ההערכה לביצועי הבידוד התרמי של ציפוי מחסום תרמי. Liu Yankuan et al. [48] ​​הכינו ציפוי YSZ 2 מול.% Eu3+ מסומם עם APS, ובהשוואה לציפוי YSZ, התוצאות הראו שהמוליכות התרמית של ציפוי YSZ מסומם 2 מול.% Eu3+ הייתה נמוכה יותר, כלומר הבידוד התרמי של 2 מול. ציפוי YSZ מסומם ב-% Eu3+ היה טוב יותר. נמצא כי למאפיינים המרחביים והגיאומטריים של הנקבוביות בציפוי יש השפעה רבה על המוליכות התרמית [49]. SUN et al. [50] ערך מחקר השוואתי על המוליכות התרמית ומודול האלסטי של ציפוי מחסום תרמי עם מבני נקבוביות שונים. התוצאות מראות שהמוליכות התרמית ומודול האלסטי של ציפוי המחסום התרמי יורדים עם הירידה בגודל הנקבוביות, וככל שהנקבוביות גבוהה יותר, המוליכות התרמית נמוכה יותר. מספר רב של מחקרים הראו שבהשוואה לציפוי EB-PVD, לציפוי APS יש בידוד תרמי טוב יותר, מכיוון שלציפוי APS יש נקבוביות גבוהה יותר ומוליכות תרמית נמוכה יותר [51]. RATZER-SCHEIBE et al. [52] חקר את השפעת עובי הציפוי של EB-PVD PYSZ על המוליכות התרמית, והתוצאות הראו שעובי הציפוי של EB-PVD PYSZ השפיע מאוד על המוליכות התרמית שלו, כלומר, עובי הציפוי היה גם אחד מהגורמים גורמים חשובים המשפיעים על ביצועי הבידוד התרמי של ציפוי המחסום התרמי. תוצאות המחקר של Gong Kaisheng et al. [53] גם מראים שבטווח העובי של יישום הציפוי בפועל, ביצועי הבידוד התרמי של הציפוי הם פרופורציונליים לעוביו ולהפרש הטמפרטורות הסביבתיות. למרות שביצועי הבידוד התרמי של ציפוי המחסום התרמי ישפרו עם הגדלת העובי, כאשר עובי הציפוי ממשיך לעלות לערך מסוים, קל לגרום לריכוז מתח בציפוי, וכתוצאה מכך כשל מוקדם. לכן, על מנת לשפר את ביצועי הבידוד התרמי של הציפוי ולהאריך את חיי השירות שלו, יש לווסת את עובי הציפוי בצורה סבירה.

עמידות בפני חמצון

בתנאי חמצון בטמפרטורה גבוהה, שכבת TGO נוצרת בקלות בציפוי המחסום התרמי. להשפעת ה-TGO על ציפוי המחסום התרמי [54] יש שני צדדים: מצד אחד, ה-TGO שנוצר יכול למנוע מחמצן להמשיך להתפזר פנימה ולהפחית את ההשפעה החיצונית על החמצון של מטריצת הסגסוגת. מצד שני, עם העיבוי המתמשך של TGO, בשל מודול האלסטי הגדול שלו וההבדל הגדול בין מקדם ההתפשטות התרמית שלו לשכבת ההדבקה, קל יחסית גם לייצר מתח גדול בתהליך הקירור, מה שיגרום ל- ציפוי נושר במהירות. לכן, על מנת להאריך את חיי ציפוי המחסום התרמי, דחוף לשפר את עמידות הציפוי לחמצון.

XIE et al. [55] חקר את התנהגות היווצרות וגדילה של TGO, שהתחלקה בעיקר לשני שלבים: הראשון, צפוף αנוצר סרט Al2O3 על שכבת החיבור, ולאחר מכן נוצרה תחמוצת מעורבת נקבובית בין השכבה הקרמית לבין α-Al2O3. התוצאות מראות שהחומר העיקרי הגורם לסדקים בציפוי המחסום התרמי הוא התחמוצת המעורבת הנקבוביה ב-TGO, לא α-Al2O3. LIU et al. [56] הציע שיטה משופרת לדמות את קצב הגדילה של TGO באמצעות ניתוח מספרי של התפתחות המתח בשני שלבים, כדי לחזות במדויק את החיים של ציפוי מחסום תרמי. לכן, ניתן לשלוט ביעילות בעובי של TGO על ידי שליטה בקצב הצמיחה של תחמוצות מעורבות מזיקות נקבוביות, כדי למנוע כשל מוקדם של ציפוי מחסום תרמי. התוצאות מראות שניתן לעכב את הצמיחה של TGO על ידי שימוש בציפוי מחסום תרמי כפול קרמי, הנחת שכבת הגנה על פני הציפוי ושיפור צפיפות משטח הציפוי, וניתן לשפר את עמידות החמצון של הציפוי כדי במידה מסוימת. AN et al. [57] השתמש בטכנולוגיית APS להכנת שני סוגים של ציפוי מחסום תרמי: היווצרות והתנהגות הגדילה של TGO נחקרו על ידי בדיקות חמצון איזותרמיות ב-1℃. הראשון הוא YAG/YSZ ציפוי מחסום קרמי כפול (DCL TBC) והשני הוא YSZ ציפוי מחסום קרמי יחיד (SCL TBC). תוצאות המחקר מראות שתהליך ההיווצרות והצמיחה של TGO עוקבים אחר חוקי התרמודינמיקה, כפי שמוצג באיור 5: לפי הנוסחה (1) ~ (8), Al2O3 נוצר בהתחלה, ואז חמצון יון Y יוצר חומר דק במיוחד שכבת Y2O3 על פני השטח של Al2O3 TGO, והשניים מגיבים זה עם זה ליצירת Y3Al5O12. כאשר יון Al מופחת לערך מסוים, יסודות מתכת אחרים בשכבת הקשר התחמצנו לפני ואחרי יצירת תחמוצות מעורבות (Cr2O3, CoO, NiO ותחמוצות ספינל וכו'), תחילה נוצרו Cr2O3, CoO, NiO, ולאחר מכן הגיבו עם (Ni, Co) O ו- Al2O3 ליצירת (Ni, Co) Al2O4. (Ni, Co) O מגיב עם Cr2O3 ויוצר (Ni, Co) Al2O4. בהשוואה ל-SCL TBC, היווצרות וקצב הגדילה של TGO ב-DCL TBC איטיים יותר, ולכן יש לו תכונות נוגדות חמצון טובות יותר בטמפרטורה גבוהה. שו שימינג ואח'. [58] השתמש בהתזת מגנטרון כדי להפקיד סרט על פני ציפוי ה-7YSZ. לאחר טיפול בחום, αשכבת Al2O3 נוצרה על ידי תגובה באתרו. המחקר הראה כי αשכבת Al2O3 שנוצרה על פני הציפוי יכולה לשפר את עמידות החמצון של הציפוי על ידי מניעת דיפוזיה של יוני חמצן. FENG et al. [59] הראה שהמסה מחדש בלייזר של משטח ציפוי APS YSZ יכולה לשפר את עמידות החמצון של הציפוי, בעיקר בגלל שהמסה מחדש בלייזר יכולה לשפר את הצפיפות של הציפוי, ובכך לעכב את צמיחת ה-TGO.

התנגדות תרמית תרמית

כאשר רכיבי הקצה החמים של טורבינות גז כבדות פועלים בסביבת טמפרטורות גבוהות, לעתים קרובות הם סובלים מהלם תרמי הנגרם משינוי מהיר בטמפרטורה. לכן, ניתן להגן על חלקי הסגסוגת על ידי שיפור ההתנגדות להלם תרמי של ציפוי המחסום התרמי. העמידות בפני זעזועים תרמיים של ציפוי המחסום התרמי נבדקת בדרך כלל על ידי בדיקת מחזור תרמי (הלם תרמי), תחילה מוחזקת בטמפרטורה גבוהה למשך פרק זמן, ולאחר מכן מוסרת לצורך קירור אוויר/מים הוא מחזור תרמי. ההתנגדות להלם תרמי של ציפוי המחסום התרמי מוערכת על ידי השוואת מספר המחזורים התרמיים שחווים הציפוי כאשר הוא נכשל. מחקרים הראו שעמידות בפני הלם תרמי של ציפוי מחסום תרמי של מבנה שיפוע טובה יותר, בעיקר בגלל שעובי ציפוי מחסום תרמי של מבנה שיפוע קטן, מה שעלול לעכב את הלחץ התרמי בציפוי [60]. ZHANG et al. [61] ביצע בדיקות מחזור תרמי ב-1℃ על שלוש הצורות של ציפוי מחסום תרמי נקודתי, פס ורשת שהתקבלו על ידי התכה מחדש בלייזר של ציפוי מחסום תרמי NiCrAlY / 7YSZ, וחקר את ההתנגדות להלם תרמי של דגימות מרוססים ושלוש דגימות עם צורות שונות לאחר טיפול בלייזר. התוצאות מראות שלדגימת הנקודה יש ​​את ההתנגדות הטובה ביותר להלם תרמי וחיי המחזור התרמיים כפולים מזה של דגימת הריסוס. עם זאת, העמידות בפני זעזועים תרמיים של דגימות הפסים והרשת גרועה מזו של דגימות הריסוס, כפי שמוצג באיור 6. בנוסף, מספר רב של מחקרים הראו שלכמה חומרי ציפוי חדשים יש עמידות טובה בפני זעזועים תרמיים, כגון SrAl12O19 [62] שהוצע על ידי ZHOU וחב', LaMgAl11O19 [63] שהוצע על ידי LIU וחב', ו-Sm2 (Zr0.7Ce0.3) 2O7 [64] שהוצע על ידי HUO et al. לכן, על מנת לשפר את העמידות בפני זעזועים תרמיים של ציפוי המחסום התרמי, בנוסף לתכנון המבני ואופטימיזציה של הציפוי, ניתן למצוא ולפתח חומרים חדשים בעלי עמידות טובה בפני זעזועים תרמיים.