Tyrimų pažanga ir sunkių dujotvarkių bei jų termalinių perorų kūrimo tendencijos (3)

2.1 Termalinių barjerinių sluoksnių paruošimas

Tam tikra prasme, šilumos bariero sluoksnio mikrostruktūra ne tik paveikia sluoksnio šiluminę izoliaciją, oksidacijos varžyba ir kitus savybes, bet taip pat nustato sluoksnio gyvenimo trukmę. Šilumos bariero sluoksnio mikrostruktūra priklauso ne tik nuo naudojamų medžiagų, bet ir nuo jo gamybos proceso. Todėl pagal skirtingus gamybos reikalavimus taip pat yra svarbu pasirinkti tinkamą gamybos procesą. Yra daugybė būdų paruošti šilumos bariero sluoksnius, tačiau jie pagrindiniu būdu padalijami į du kategorijas: pirmasis yra termine spraudimas, o antrasis – fizinis garo depozicijos metodas. Tarp termine spraudimo metodų galima paminėti hipersoninį spraudimą, plazminį spraudimą, su Spragos spraudimu ir pan. Termine spraudimu paruoštas sluoksnis yra lapinis. Fizinis garo depozicijos metodas pagrindiniu būdu yra elektroninio spindulio fizinis garo depozicijos (EB-PVD) metodas, o paruoštas sluoksnis yra stulpelis. Šilumos bariero keraminiame sluoksnyje dažnai naudojamas elektroninio spindulio fizinis garo depozicijos metodas, atmosferinis plazminis spraudimas ir kt. Metalinis jungiamasis sluoksnis pagrindiniu būdu naudoja termine spraudimo technologijas, tokias kaip atmosferinis plazminis spraudimas (APS), žemųjų slėgių plazminis spraudimas (LPPS) ir hipersoninis flamedinis spraudimas (HVOF) [40]. Iki šiol APS ir EB-PVD yra pagrindiniai metodiai, naudojami gaminti oro turbinės šilumos bariero sluoksnius.

2.1.1 Atmosferinio plazmo喷skystymas

APS yra rūšis tiesioginio elektros srovės lankelio, kurį sukuria spalvinis karalas, kad paverstų Ar, He, N2 ir kitus dujas plazminiais srautais, todėl keraminių ir metalinių pultelių, transportuojamų burbuliavimo dujomis, greitai šildytų ir išsilieja į ištęstą arba pusiau ištęstą dalelių būseną. Technologija, leidžianti sukurti sluoksnį ant superaljolio pagrindo, jį panaudodama su dideliu kinetiniu energijos kiekiu (80 ~ 300 m/s) elektrinio lauko veiksmu [42]. APS technologijos pagrindu parengtas terminis barjerinis sluoksnis sudarytas iš daugybės susilietusių dalelių, o pagrindas yra gretimi mechaniniu bandomuoju ryšiu, kuris turi daug defektų, lygiagrečių aljolio pagrindui, tokių kaip poros ir mikrospūdžių (kaip parodyta 2 paveiksle). Jų atsiradimo priežastys yra tokios: aukštos temperatūros sąlygomis keraminis ar metallinis medžiaga išsilieja, formuojant ištęstas daleles, ir turės tam tikrų aplinkos dujų, tačiau sluoksnio šaldymo greitis labai sparčias, tai padaro, kad depozicijos metu dalelėse išliks uždorotų dujų, o vėliau atsiranda poros; tuo pačiu nepakankamas susidomėjimas tarp ištęstų dalelių taip pat gali sukelti porų ir spūdžių sluoksnyje atsiradimą. Todėl, jei naudojama APS technologija parengti terminei apsaugai skirtus sluoksnius, jie turi aukštą poringumą ir geras termingesnę izoliaciją, bet jos nuostoliai yra nepakankamas deformacijos tolerancija ir bloga terminei smūgių varžyba [43], o jie yra naudojami pagrindiniui darbo aplinkai. Be to, APS yra pigu parengti, todėl ją galima pritaikyti didesniams elementams.

2.1.2 Elektroninio spindulio fizinė garų depozicija

EB-PVD yra technologija, naudojanti aukštos energijos tankio elektroninį spindulį, kad vamzdinyje kameroje išsiaukštintų apdengimo pultelį ir ant pultelio paviršiaus sudarytų skystąjį baseiną, kuris garo keraminius pultelius ir jais atomo būsenoje deponuoja ant pagrindo paviršiaus, sukurdami šiluminę barjerinę sluoksnį [45], kaip parodyta 3 paveiksle. EB-PVD sluoksnio struktūra yra stulpelių kristalinė struktūra, statmena aliejybos matricai, o sluoksnis ir matrica pagrindinėje dėžėje sujungiami metalurgine sąveika. Paviršius yra ne tik glodas, bet taip pat turi geras tankumos rodiklius, todėl jis turi aukštą jungimo stiprumą, deformacijos toleranciją ir šiluminę triukšmą. Jis pagrindiniu būdu pritaikomas detalesms su griežtu darbo aplinkos reikalavimu, pvz., dujų turbinės rotorinės lapai. Tačiau EB-PVD sluoksnio paruošimo kainos yra brangios, galima paruošti tik plonius sluoksnius, o detales struktūros dydžiai turi tam tikrų reikalavimų, todėl jis mažai naudojamas dujų turbinėse.

Abu minėtos paruošimo procesai jau yra labai pažengę, tačiau vis tiek turėti savo problemų, kaip parodyta lentele 2. Nesenai, susijusios tyros yra nesustotinos tobulinant ir kūrybinio kuriant naujus šiluminio bariero sluoksnio paruošimo metodus. Šiuo metu, tarp paplitusių naujų šiluminio bariero sluoksnio paruošimo metodų, ypatingą priežastį sudaro plazminis spalvimas fizinio garinių depozicijos technologija (PS-PVD), kuri laikoma viena iš giliausiai perspektyvių ir efektyvių šiluminio bariero sluoksnio paruošimo metodų.

2.1.3 Plazminis spalvinimas fizinio garinių depozicijos

PS-PVD technologija yra kuriama remiantis žemos slėgio plazmos sprūdymo metodu. Šia metoda paruoštų užkablių struktūra yra dulkės ir stulpeliai, o užkablio poros yra daugelio ir tarpai dideli, kaip parodyta 4 paveikslėlyje. Todėl PS-PVD technologija pagerino problemą, susijusią su nepakankama termine izoliacija EB-PVD užkabliams ir bloga termine šokų išnykstamumui APS užkabliams. Termine barijerinė sluoksnio, paruošto naudojant PS-PVD technologiją, yra aukšta sudedamojo jėgos stiprumas, gera termine izoliacijos savybė ir geras termine šokų išnykstamumas, tačiau bloga korozijos varžyba ir CMAS oksidacijos varžyba. Įsigilinus šia tema, ZHANG ir kt. [41] pasiūlė Al2O3 modifikavimo metodą PS-PVD 7YSZ terminei barijerinei sluoksnei. Eksperimentiniai rezultatai rodo, kad aluminizavimo modifikacija galima patobulinti 7YSZ termine barijerinės sluoksnių oksidacijos varžybą ir CMAS korozijos varžybą.