Tyrimų pažanga ir sunkių dujotvarkių bei jų termalinių perorų kūrimo tendencijos (4)

Pagrindiniai dujų turbinės šiluminės peroros savybės

Kadangi žemės viršuje dirbančių dujinių dūdžių darbo sąlygos yra vis dažniau sudėtingos, o priežiūros ciklas ilgas, jis gali siekti iki 50 000 valandų. Todėl, siekiant pagerinti dujinių dūdžių šiluminę perorą ir pratęsti šios peroros veikimo laiką, pastaraisiais metais mokslininkai atliko daug tyrimų dėl šiluminės peroros pagrindinių savybių, pvz., šilumos izoliacijos, oksidacijos varžymo, termalinių smūgių varžymo ir CMAS korozijos varžymo. Tarp jų, šilumos izoliacijos, oksidacijos varžymo ir termalinių smūgių varžymo srityse atlikta pakankamai tyrimų, tačiau CMAS korozijos varžymas yra mažai tyrėtas. Taip pat CMAS korozija tapo viena pagrindinių šiluminės peroros nusistovėjimo priežasčių, kuriems trukdo kitos kartos aukštos našumo dujinių dūdžių plėtrai. Todėl šiame skyriuje pirmiausia trumpai aptariamos šiluminės peroros šilumos izoliacija, oksidacijos varžymas ir termaliniai smūgiai, o vėliau ketvirtajame skyriuje daugiau dėmesio skiriama CMAS korozijos mechanizmo ir apsaugos technologijų tyrimų pažangai.

Sąnaudumo savybė

Su pramonės vystymusi, aukštos našumos dujų turbinės pateikė aukštesnius reikalavimus turbinės įvesties temperatūrai. Todėl ypač svarbu pagerinti šiltnamio barjerinio sluoksnio sąnaudumo savybes. Šiltnamio barjerinio sluoksnio sąnaudumas susijęs su sluoksnio medžiaga, struktura ir gamybos procesu. Be to, šiltnamio barjerinio sluoksnio eksploatavimo aplinkosaugos sąlygos taip pat turi poveikį jo sąnaudumo savybių.

Šiluminis laidumas paprastai naudojamas kaip vertinimo rodiklis termaliniams izoliacijos sluoksnio savybėms. Liu Yankuan ir k. [48] paruošė 2 mol.% Eu3+ dopuotą YSZ sluoksnių su APS ir palygino su YSZ sluoksniais, rodant, kad 2 mol.% Eu3+ dopuoto YSZ sluoksnio šiluminis laidumas yra žemesnis, tai reiškia, kad 2 mol.% Eu3+ dopuoto YSZ sluoksnio termalinis izoliavimas yra geresnis. Rasta, kad porų erdvės ir geometrinės charakteristikos sluoksnyje didelį įtaką daro šiluminiui laidumui [49]. SUN ir k. [50] atliko palyginamąją studiją apie šiluminius laidumus ir elastingumo modulį termaliniams izoliacijos sluoksniams su skirtingais porų struktūromis. Rezultatai rodo, kad termalinių barjerų sluoksnių šiluminis laidumas ir elastingumo modulis mažėja kartu su porų dydžio sumažinimu, o čimnis, kintantis poringumu, turi žemesnį šiluminį laidumą. Daugelis tyrimų parodyta, kad palyginti su EB-PVD sluoksniais, APS sluoksniai turi geresnę šilumnę izoliaciją, nes APS sluoksniai turi aukštą poringumą ir žemesnį šiluminį laidumą [51]. RATZER-SCHEIBE ir k. [52] tyrė EB-PVD PYSZ sluoksnio storio poveikį šiluminiui laidumui, ir rezultatai rodo, kad EB-PVD PYSZ sluoksnio storis didelį įtaką daro jo šiluminiui laidumui, tai reiškia, kad sluoksnio storis taip pat yra vienas iš svarbiausių veiksnių, paveikiančių termalinių barjerų sluoksnių izoliacinę gebėjumą. Gong Kaisheng ir k. [53] tyrimo rezultatai taip pat rodo, kad praktinio sluoksnio taikymo storio diapazone, sluoksnio izoliacinė gebėjumų yra proporcinga jo storui ir aplinkos temperatūros skirtumui. Nors termalinių barjerų sluoksnio izoliacinės savybės stiprina jis, kai padidėja jo storis, jei sluoksnio storis tęsiasi didėti iki tam tikros reikšmės, lengva sukelti stresų koncentraciją sluoksnyje, kas gali sukelti ankstyvą nusistovėjimą. Todėl, siekiant pagerinti sluoksnio izoliacinę gebėjumą ir praplėsti jo tarnybos laiką, būtina reguliuoti sluoksnio storį.

oksidas varžymo geba

Aukštos temperatūros oksidacijos sąlygomis terminei barijerinei sluoksnio lengvai formuojasi TGO sluoksnis. TGO poveikis terminei barijerinei sluoksniui [54] turi du aspektus: iš vienos pusės, suformuotas TGO gali užkirsti kelią deguoniui toliau difunduoti į vidų ir sumažinti išorinį poveikį aliaurinio matricos oksidacijai. Iš kitos pusės, dėl jo didelio elastingumo ir didelio skirtumo tarp jo ir klisterio sluoksnio termodiastatinių koeficientų, kartu su TGO nuolatiniu stiprinimu, šiuo metu taip pat gana lengva sukelti didelius stresus šaldo proceso metu, kas padarytų, kad sluoksnis greitai atsiskirtų. Todėl siekiant ilgesniui išlaikyti terminei barijerinei sluoksniui, skubiai reikia pagerinti sluoksnio oksidacijos varžymo savybes.

XIE ir kt. [55] tyrinėjo TGO formavimosi ir augimo elgesį, kuris buvo pagrindomis dalimis padalintas į du etapus: pirmiausia, susidariusi tankia α -Al2O3 filmas buvo užformuotas ant jungimo sluoksnio, o vėliau tarp keramikos sluoksnio ir Al2O3 susidarytas porinys mišriojo oksido sluoksnis α -Al2O3. Tyrimai rodo, kad pagrindinis medžiaga, sukelianti spragas terminei varomajai apsaugai, yra porinys mišriojo oksido sluoksnis TGO, o ne α -Al2O3. LIU ir k. [56] pasiūlė patobulintą metodą, skirtą modeliuoti TGO augimo tempą, atliekant skaitinį stresų analizę dviem etapais, kad tiksliai būtų galima numatyti termalinių barjerinių sluoksnių gyvavimą. Taigi, TGO storis gali būti efektyviai kontroliuojamas reguliuojant porotinių kenksmingų mišinių oksidų augimo tempą, kad išvengtumėsi ankstyvo termalinių barjerinių sluoksnių nusikirtimo. Rezultatai rodo, kad naudojant dviejų keraminių medžiagų termalinį barjerinį sluoksnį, užsidėvėjus apsaugos sluoksniui ant sluoksnio paviršiaus bei padidinus sluoksnio tankumą, TGO augimas gali būti uždelstas, o sluoksnio oksidacijos varnystė gali būti pagerinta tam tikru mastu. AN ir k. [57] naudojo APS technologiją, kad pagamintų du tipus termalinių barjerinių sluoksnių: TGO formavimo ir augimo elgesys buvo tyrimi izoterminiais oksidacijos bandymais temperatūroje 1 100 ℃ . Pirmasis yra YAG/YSZ dvisluoksnis keraminis slenksčio apdengimas (DCL TBC), o antrasis - YSZ viensluoksnis keraminis slenksčio apdengimas (SCL TBC). Tyrimo rezultatai rodo, kad TGO formavimo ir augimo procesas vyksta pagal termodinamikos dėsnius, kaip parodyta 5 paveiksle: Pagal formulę (1) ~ (8), pirmiausia susidaro Al2O3, tada Y jonų oksidacijos metu ant Al2O3 TGO paviršiaus susidaro labai plonūs Y2O3 sluoksniai, o jie suvienijasi tarpusavyje ir susideda Y3Al5O12. Kai Al jonai sumažėja iki tam tikros vertės, kitos metalo elementai jungtinėje sluoksnio oksiduojasi ir susideda su mišriomis oksidais (Cr2O3, CoO, NiO ir spinelio oksidais ir kt.), pirmiausia susidariusi Cr2O3, CoO, NiO, o vėliau reaguojant su (Ni, Co) O ir Al2O3 susideda (Ni, Co) Al2O4. (Ni, Co) O reaguojant su Cr2O3 susideda (Ni, Co) Al2O4. Palyginti su SCL TBC, DCL TBC TGO formavimo ir augimo greitis yra lėtesnis, todėl jis turi geresni aukšt temperatūros antioxidantines savybes. Xu Shiming ir k. [58] naudojo magnetrono šliuzimą, kad ant 7YSZ slenkties paviršiaus nuleistų filmą. Po toliojo apdirbimo, α -Al2O3 sluoksnis buvo sugeneruotas in-situ reakcija. Tyrimas parodė, kad α -Al2O3 sluoksnis, susidariusis ant pelės paviršiaus, gali pagerinti pelės oksidacijos varžymo gebėjimus užblokuojant deguonių ionų difuziją. FENG ir k. [59] parodyta, kad laserinio persilievimui APS YSZ pelės paviršiuje galima pagerinti pelės oksidacijos varžymo gebėjimus, pagrindiniu dėžniu yra tai, kad laserinis persiliejimas gali pagerinti pelės tankio lygį, taip vėlindamas TGO augimą.

Termينis smūrio varžymas

Kai sunkių dujinių variklių karštosios dalys yra eksploatuojamos aukštąja temperatūra, jos dažnai kenčia dėl greito temperatūros pokyčio sukeltų termalinių šokų. Todėl aliejusius elementus galima apsaugoti pagerindami termalinės barijerinės sluoksnių atsparumą termaliniams šokams. Termalinių barijerinių sluoksnių atsparumas termaliniams šokams paprastai tikrinamas termaliniu ciklais (termalinių šokų) bandymu: pirmiausia jie laikomi aukšta temperatūra tam tikru metu, o po to išmetami į oro/ Vandens šaldymo – tai yra vienas termalinis ciklas. Termalinių barijerinių sluoksnių atsparumas termaliniams šokams vertinamas palyginus termalinių ciklų skaičių, kuriuos išgyveno sluoksnis, kol nusibrėžė. Tyrimai rodo, kad gradiiento struktūros termalinių barijerinių sluoksnių atsparumas termaliniams šokams yra geresnis, pagrindiniais priežasčiomis yra mažesnis gradiiento struktūros termalinių barijerinių sluoksnių storis, kuris gali vėlyviau sukelti termalines stresas sluoksnyje [60]. ZHANG ir kt. [61] atliko termalinę ciklų tyrimus 1000 °C ℃ Apie tris formoms – dėžę, juostą ir tinklą – termalinių barjerinių sluoksnių, gautų naudojant laserinį NiCrAlY / 7YSZ termalinių barjerinių sluoksnių iškaitinimą, bei tyrėjo termalinių šokų išorystę spraigtųjų specimenu ir trijų skirtingų formų po laserinio apdorojimo. Rezultatai rodo, kad dėžės forma turi geriausią termalinių šokų išorystę, o termalinių ciklų gyvybė yra dvigubai ilgesnė nei spraigtųjų specimenu. Tačiau juostos ir tinklo specimenu termalinių šokų išorystė yra blogesnė nei spraigtųjų specimenu, kaip parodyta 6-ajame bruožyje. Be to, daugelis tyrimų parodė, kad kai kurie nauji sluoksnio medžiagų tipai turi geros termalinių šokų išorystę, pvz., ZHOU ir kt. pasiūlytas SrAl12O19 [62], LIU ir kt. pasiūlytas LaMgAl11O19 [63] bei HUO ir kt. pasiūlytas Sm2 (Zr0.7Ce0.3) 2O7 [64]. Todėl norint pagerinti termalinių šokų išorystę termaliniams barjeriniams sluoksniams, be sluoksnių struktūros dizaino ir optimizavimo galima ieškoti ir kurti naujų medžiagų su gera termalinių šokų išoryste.