Pētījumu progresā un attīstības tendences par smagajiem gāzu turbinu un to siltumbarjeru segumiem (2)

Siltuma barjeras apgabals

Pētījumu fons par siltuma barjeru apgabaliem

Kopš pirmā gāzu turbinas veiksmīgas izstrādes 1920. gadā, gāzu turbīna vienmēr ir spēlējusi būtisku lomu elektroenerģijas ražošanas un vadības jomā. Turklāt, ar rūpniecības tehnoloģiju attīstību, smagās gāzu turbinu tehniķiskais līmenis nepārtraukti uzlabojas, un kā uzlabot smagās gāzu turbinu efektivitāti kļūst aizvien steidzamāk. Turbīnas loks ir viens no galvenajiem smagās gāzu turbīnas degvielas sistēmas komponentiem. Turbīnas ieejas temperatūras palielināšana var efektīvi uzlabot smagās gāzu turbinas efektivitāti. Tādējādi atbilstoši pētnieki var strādāt virzienā, kas paredz turbīnas ieejas temperatūras palielināšanu. Lai atbilstu pieaugošajai darbības temperatūras prasībai nākotnes efektīvajām gāzu turbinām, uz karstās daļas komponentu virsmu parasti tiek ielietoti siltuma barjeras apgabali.

1953. gadā koncepta par termiskā barjera apgabalu pirmo reizi iesniedza ASV NASA-Lewis Pētniecības institūts [13], proti, kerāmisko apgabalu uz sasvītrotajiem daļām, kas darbojas augsttematūras vides apstākļos, sprižot tos ar termiskās spraudšanas tehnoloģiju, lai nodrošinātu šķidruma un aizsardzību, samazinātu loksnes virsmas temperatūru, samazinātu dzinēja degvielas patēriņu un stiprinātu loksnes dienestspēju. Termiskais barjera apgabals ir plaši izmantots rūpnieciskās gāzes turbīnu un lidmašīnu dzinēju karstā galvenes komponentos (turbīnas loksnes un degšanas komorās utt.), jo tā ir ar zemu ražošanas maksu un labu termiskās aizsardzības funkciju, un tiek starptautiski atzīta kā augstas tehnikas tehnoloģija smagās gāzu turbīnu ražošanai.

Sistēmas struktūra termiskajam barjeru apgabalam

• Ar zinātnes un tehnoloģiju progresu un attīstību gāzes turbinu ieejas temperatūra arvien pieaug. Lai sasniegtu labāku termiskās izolācijas efektu no termiskā barjera seguma, vairumā pētījumu visā pasaulē tiek pievērsta uzmanība termiskā barjera seguma struktūras dizainam, kas pilnībā parāda to nozīmi. Atbilstoši seguma struktūras atšķirībām tas var tikt sadalīts divslāņu, daudzslāņu un gradiens struktūrā.
• Starp tiem, divslāņu termiskais barjers, kas sastāv no keramikas slānis un saistības slānis, kā vienkāršākais un izstrādātais termiskais barjers visās segumu struktūrās, ir plaši izmantots termisko barjeru tehnoloģijā. Starp tiem plašākāk izmantotais divslāņu struktūras termiskais barjers izmanto 6 wt.% ~ 8 wt.% jodītu zirkoniju (6-8YSZ) kā ārējo keramisko materiālu, un MCrAlY (M=Ni, Co, Ni+Co utt.) aliansi kā metāla saistības slāņa materiālu [16]. Tomēr, tā kā starp keramikas slāni un metāla saistības slāni pastāv neatbilstība termiskajā paplašināšanās koeficientā, segumā viegli rodas spriedumi, kas var izraisīt seguma agru atkāpšanos.
• Lai uzlabotu šķēdņa slāpekļa seguma darbības efektivitāti, zinātnieki sagatavoja daudzslāņu struktūras šķēdņa slāpekļa segumu ar salīdzinoši sarežģītu struktūru (kompozītsegums), tas nozīmē, ka uz divslāņu struktūras šķēdņa slāpekļa seguma pamata tiek pievienotas vairākas izolācijas un barjeru slāņu, parasti piecas slāņi. Starp tiem visvairāk pētītie barjeras slāņi galvenokārt ietver Al2O3, NiAl utt. [17]. FENG un citi [18] izmantoja APS, lai gatavotu YSZ šķēdņa slāpekļa segumu un LZ/YSZ šķēdņa slāpekļa segumu (La2Zr2O7 / ZrO2-Y2O3 divcerāmiju slāņu šķēdņa slāpekļa segumu), un izmantoja lasers remeltēšanas tehnoloģiju, lai remeltētu seguma virsmu, pēc tam veikdami augsttematūras oksidēšanas testus pie 1100℃. Rezultāti rāda, ka salīdzinājumā ar YSZ šķēdņa slāpekļa segumu LZ/YSZ divcerāmiju šķēdņa slāpekļa segums ir ar labāku oksidēšanās pretestību. Lai gan daudzslāņu šķēdņa slāpekļa seguma īpašības ir labākas nekā divslāņu šķēdņa slāpekļa seguma, tā struktūra un pagatavošanas process ir sarežģītāks, un tai trūkst termiskās šausmas pretestības, tāpēc tā praktiskajā lietošanā ir ierobežota. Tādējādi rodas gradiens struktūras šķēdņa slāpekļa segums.
• Gradients struktūras termiskais barjers ir raksturīgs ar sastāva un struktūras nepārtrauktu gradientu mainīšanos pa smilšu virzieniem, kas rezultē neizprastās starplodes robežlīnijas. Salīdzinājumā ar divkārtīgajiem un daudzkārtīgajiem apakšstruktūru modeļiem, gradients struktūras termiskais barjers neatņemami ir izcilāks termiskais šoka pretestība, kā arī parāda nepārtrauktu gradientu mainīšanos uzvedībā, tāpēc tas ir termiskās spiediena atvieglotājs un to var pielietot grūtos augsttemperatūras vides apstākļos. Funkcionāli gradiantu termiskie barjeri galvenokārt tika pārskatīti ar termiskās spraudzes tehnoloģijām, lai gan ir dažādas sagatavošanas metodes, praksē gradients struktūras termiskais barjers ir sliktāks dēļ sarežģītas sagatavošanas procesa, struktūras komponentu grūtības kontroles un augstiem izmaksām.
• Kopsavilkumā, divu slāņu termiskā barjera ir plaši izmantota un procesa tehnoloģija ir izstrādāta līdz galam, tā joprojām ir pirmā izvēle kā termiskās barjerās struktūras veids. Kerāmisko slāni un saistīšanas slāni [20] iegūst uz alīgnes matricas ar termiskās spriedzas tehnoloģiju. Augstā temperatūrā oxidēšanās apstākļos, pēc oxidēšanas uz saistīšanas slāna virsmas veidojas smalka siltumā audzētais oksīds, kā parādīts attēlā 1. No tiem, alīgnes matrica, kā viens no komponentiem, ko aizsargā termiskā barjera, var veikt funkciju, nodrošinot ārējos mehāniskos krājumus, un tā materiāls galvenokārt ir augsttemperatūras un oxidēšanās atbalstīgs nikla bāzes superalīgnes. Saistīšanas slāna uzdevums ir stiprināt saites spēku starp kerāmisko slāni un alīgnes matricu, tā biežums parasti ir 50 ~ 150 µm, un materiālam parasti ir izvēlēts MCrAlY (M=Ni/Co/Ni+Co), kas ir mazs atšķirības starp alīgnes matricas termiskās paplašināšanās koeficientu. Termiski audzētais oksīds (TGO) galvenokārt ir α-Al2O3 plenkfilmā, kas veidojas starp kerāmisko slāni un saistīšanas slāni augstā temperatūrā oxidējošā vide, ar biežumu no 1 ~ 10 µm, kas lielā mērā ietekmē segumu. Kerāmiskais slānis nodrošina siltuma izolāciju, korozijas un impakta atbalstību [21], tā biežums parasti ir 100 ~ 400 μm, un materiāls galvenokārt ir 6-8YSZ ar zemu termisku vadošumu un relatīvi augstu termiskās paplašināšanās koeficientu [22].

Materiāli termiskās barjerkošanas slāpēm

Turbīnas loksnes ieejas temperatūra ir tuvu saistīta ar tās darbības efektivitāti. Tikai palielinot turbīnas loksnes ieejas temperatūru, var uzlabot darbības efektivitāti. Tomēr, ar zinātnes un tehnoloģiju attīstību un rūpniecības progresu, smagā gāzu turbīnu karsto galu komponentu darba temperatūra joprojām pieauga, un niklētajiem aliejumiem pagatavotās turbīnas loksnes maksimālā temperatūra ir 1150°C, kas neatļauj strādāt augstākajās temperatūrās. Tāpēc ir īpaši steidzami atrast un izstrādāt termiskās barjeras revējuma materiālus ar izcilām īpašībām. Starp tiem, jo termiskā barjera revējuma darba apstākļi ir ļoti slikti, termiskā barjera revējuma materiālu izvēles apstākļi praktiskajā procesā ir vēl striktāki. Keramikas slāņa materiāli parasti prasa zemu termiskās vadīspējas koeficientu un augstu ugunskalēšanas punktu, kā arī nežēlīgi mainīties fazē no istabas līdz darba temperatūrai, un arī nepieciešams augsts termiskās paplašināšanās koeficients, izcilas termiskās šoka pretestības, sinterēšanas pretestība un korozijas pretestība [24]. Saistes slāņa materiālam ir jābūt ar korozijas pretestību, oksidēšanas pretestību, labu saites spēku un citām īpašībām [25-26].

Materiāls keramikas slānim

Siltumbarjeru segtura rūgtie dienesta apstākļi ierobežo materiālu izvēli. Pašlaik praktiskai lietošanai piemēroti siltumbarjeru segturu materiāli ir ļoti ierobežoti, galvenokārt YSZ materiāli un retmetalu oksīdu dopēti YSZ materiāli.

(1) itrija oksīda stabilizēta cirkonija oksīda

Pašlaik, starp keramisko materiālu, izcēl ZrO2 ar saviem augstajiem ugunskaitli, zemu termiskās vīdumības koeficientu, augstu termiskās paplašināšanās koeficientu un labu sadurdzību. Tomēr, neviļņotais ZrO2 ir trīs kristālu formas: monoklīnā (m) fāze, kubiskā (c) fāze un tetragonālā (t) fāze, un neviļņotais ZrO2 viegli var pārgāzt no vienas fāzes uz otru, kas rada tilpuma maiņas ar negatīvu ietekmi uz segumu ilgumu. Tāpēc ZrO2 bieži tiek piesaistīts ar stabilizatoriem, piemēram, Y2O3, CaO, MgO un Sc2O3, lai uzlabotu tā fāzes stabilitāti. No tiem 8YSZ parāda labāko attīstību - tas ir pietiekami cietš (~ 14 GPa), ar zemu blīvumu (~ 6,4 Mg·m-3), zemu termisko vīdumu (~ 2,3 W·m-1 ·K-1 pie 1000℃), augstu ugunskaitli (~ 2700℃), augstu termiskās paplašināšanās koeficientu (1,1×10-5 K-1) un citus lieliskos īpašības. Tāpēc, kā keramisko slāņa materiālu, tas plaši tiek izmantots termiskajos barjersegumos.

(2) Retmetālu oksīdi piesaistītais YSZ

Kad YSZ darbojas vides temperatūrā pār 1200 °C ilgstoši, parasti notiek fāzes pāreja un sinterēšanās. No vienas puses, nesaderīgais tetragonālais stāvoklis t' pārvēršas par kubiskā fāzes c un tetragonālā fāzes t maiņu, un smaidot, t' pārvēršas par monoklīnā fāzi m, un fāzes pāreja turpinās ar attiecīgu tilpuma mainīšanos, kas ātri izgrūda segumu [27]. No otras puses, sinterēšanās samazina seguma porozi, samazina tā termiskās isolācijas un deformatīvās spējas, palielina tvērumu un elastiskās moduli, kas lielā mērā ietekmē seguma uzvedību un garu. Tādējādi YSZ nevar tikt pielietots nākamajai paaudzei jomtspējīgiem gāzu turbinei dzinējiem.

Vispārēji YSZ uzvedības uzlabošanu var veicināt, mainot vai palielinot cirkoņa stabilizatora veidu, piemēram, ieviešot YSZ ar retmetālu oksīdiem [28-30]. Tika konstatēts, ka lielāka atšķirība starp Zr jonio un ievietoto jonio rādiusu nozīmē lielāku defektu koncentrāciju, kas var uzlabot fononu izkliedēšanu un samazināt termiskās vadību [31]. CHEN un citi [32] izmantoja APS, lai pagatavotu siltuma barjeras slāni (LGYYSZ) ar La2O3, Yb2O3 un Gd2O3 kopā ievietotu YSZ, un noteica siltuma paplašināšanās koeficientu un siltuma vadību caur mērījumiem un aprēķiniem, veicot siltuma cikla testus pie 1400℃. Rezultāti parāda, ka salīdzinājumā ar YSZ slāni, LGYYSZ slānis ir ar zemu siltuma vadību, garāku siltuma cikla dzīvību un labu fāzes stabilitāti pie 1500℃. Li Jia un citi [33] pagatavoja Gd2O3 un Yb2O3 kopā ievietotu YSZ pulveri, izmantojot himikālisko kopaprecipitācijas metodi, un pagatavoja Gd2O3 un Yb2O3 kopā ievietotu YSZ slāni, izmantojot APS, pētot dažādu oksīdu ievietošanas daudzumu ietekmi uz slāna fāzes stabilitāti. Rezultāti parāda, ka Gd2O3 un Yb2O3 kopā ievietotā YSZ slāņa fāzes stabilitāte ir labāka nekā tradicionālajam 8YSZ slānim. Pēc augsttemperatūras siltuma apstrādes, ja ievietošanas daudzums ir zems, m fāze ir mazāk izsaukta, bet, ja ievietošanas daudzums ir augsts, rodas stabils kubisks slānis.

Salīdzinot ar tradicionālo YSZ, jaunais modificētais YSZ keramikas materiāls ir ar zemāku termiskās vadības koeficientu, kas padara termiskā barjera segumu ar labākiem termiskās isolācijas īpašībām un nodrošina svarīgu pamatu augstas efektivitātes termiskās barjeras seguma pētījumiem. Tomēr tradicionālajam YSZ ir labs kopējais uzvedums, tas plaši tiek izmantots un nevar tikt aizvietots ar nekuru modificēto YSZ.

Saistīgā slāņa materiāls

Saiknes slānis termiskajā barjerējošajā segumā ir ļoti svarīgs. Turklāt keramikas slānis var būt cieši saistīts ar aljuma matricu, un samazināta iekšējā spriedze, kas izraisa termiskās paplašināšanās koeficienta neatbilstība segumā. Turklāt veselā seguma sistēma var uzlabot termiskās korozijas un oksidēšanas atbildību, veidojot ciešu oksīdu filmu augstā temperatūrā, tādējādi ilgstošot termiskā barjerējošā seguma dzīvību. Pašlaik materiālam, kas izmanto tiek izmantots saiknes slānim parasti MCrAlY aljums (M ir Ni, Co vai Ni+Co, atkarībā no lietojuma). No tiem NiCoCrAlY plaši tiek izmantots jaudīgos gāzu turbinēs dēļ tā labiem kopējiem īpašībām, piemēram, oksidēšanas un korozijas atbildībai. MCrAlY sistēmā Ni un Co tiek izmantoti kā matricas elementi. Dēļ Ni labām oksidēšanas īpašībām un Co labajām nogurušanas atbildības īpašībām, Ni+Co kopējie īpašības (piemēram, oksidēšanas un korozijas atbildība) ir labi. Savukārt Cr tiek izmantots, lai uzlabotu seguma korozijas atbildību, bet Al var palielināt seguma oksidēšanas atbildību, un Y var uzlabot seguma korozijas un termiskās šoka atbildību.

MCrAlY sistēmas uzvedība ir izcila, taču to var izmantot tikai darbā zem 1100℃. Lai paaugstinātu ekspluatācijas temperatūru, atbilstošie ražotāji un pētnieki veicis daudz pētījumus par MCrAlY segumu modifikāciju. Piemēram, piesardzes aliejuma elementu pievienošana, piemēram W, Ta, Hf un Zr [34], lai uzlabotu piesardzes slāņa īpašības. YU un citi [35] uz otrās paaudzes niklaļbāzes superaloga ievilka siltumbarjeru segumu, kas sastāv no Pt modificēta NiCoCrAlY piesardzes slāņa un nanostrukturēta 4 sv.% itrijums tabalizētās cirkoņa dioksīda (4YSZ) keramikas slāņa. Tika izpētīts termiskā ciklēšanas uzvediens gaisā un Pt ietekme uz TGO veidošanos un oxidēšanās pretestību 1100℃ temperatūrā. Rezultāti parāda, ka salīdzinājumā ar Nicocraly-4YSZ, Pt modificētais NiCoCrAlY ir noderīgs α-Al2O3 veidošanai un TGO augstuma samazināšanai, tādējādi papildu ilgstošot siltumbarjeru seguma dzīvību. GHADAMI un citi [36] sagatavoja NiCoCrAlY nanokompozīta segumu ar hipersonisku flamas vilkšanu, izmantojot nanoCEO2. NiCoCrAlY nanokompozīta segumi ar 0,5, 1 un 2 sv.% nanoCEO2 tika salīdzināti ar konvencionāliem NiCoCrAlY segumiem. Rezultāti parāda, ka NICocRALy-1 sv.% nano-CEO2 kompozīta segums ir ar labāku oxidēšanās pretestību, lielāku tvirtību un mazāku porositāti nekā citi konvencionālie NiCoCrAlY segumi un NiCoCrAlY nano-kompozīta segumi.

Pašlaik, līdzinot MCrAlY sistēmu, kas var tikt pielietota kā saites slānis, NiAl arī ir būtisks materiāls saites slānim. NiAl galvenokārt sastāv no β-NiAl, kas augstākajos par 1200°C temperatūras apjomos veido nepārtrauktu un ciešu oksīda filmu uz seguma virsmas, un tiek uzskatīts par vislielākajiem potenciālajiem kandidātiem jaunās paaudzes metāla saites slāņa materiālam. Salīdzinājumā ar MCrAlY un tradicionālo β-NiAl segumu, PT-modificētie β-NiAl segumi piedāvā labāku oksidēšanās un korozijas atbildi. Tomēr augstākajās temperatūrās veidotā oksīda filma ir ar zemu adheziju, kas nozīmē, ka seguma dzīvības ilgums tiks lielā mērā saīsināts. Tāpēc, lai uzlabotu NiAl īpašības, pētnieki veica dopēšanas modificēšanas pētījumus par NiAl. Yang Yingfei un citi [37] pagatavoja NiCrAlY segumu, NiAl segumu, PT-modificēto NiAl segumu un Pt+Hf kopdopēto NiAl segumu, salīdzinot četru šo segumu oksidēšanās atbildi pie 1100°C. Galu galā rezultāti parādīja, ka labākā oksidēšanās atbilde ir Pt+Hf kopdopētajam NiAl segumam. Qiu Lin [38] pagatavoja NiAl bloka aliedzi ar dažādu Al saturu un β-NiAl bloka aliedzi ar dažādu Hf/Zr saturu, izmantojot vakuuma loksas smaidīšanu, un pētīja Al, Hf un Zr ietekmi uz NiAl aliedzes oksidēšanās atbildi. Rezultāti parādīja, ka NiAl aliedzes oksidēšanās atbilde palielinās, palielinot Al saturu, un Hf/Zr pievienošana β-NiAl aliedzei ir noderīga, lai uzlabotu oksidēšanās atbildi, un optimālie dopēšanas daudzumi bija atbilstoši 0,1 at.% un 0,3 at.%. LI un citi [39] pagatavoja jaunu retmetālu modificētu β-(Ni, Pt) Al segumu uz Mo bagātinātas Ni2Al bāzes superaliedzes, izmantojot elektrodepozīciju un zemas aktivitātes aluminizācijas tehnoloģiju, un salīdzināja retmetālu modificēto β-(Ni, Pt) Al segumu ar tradicionālo β-(Ni, Pt) Al segumu. Izotermiskais oksidēšanās uzvediens pie 1100°C. Rezultāti parāda, ka retmetāli var uzlabot seguma oksidēšanās atbildi.

Kopsavilkumā, MCrAlY un NiAl segas ir savi priekšrocības un trūkumi, tāpēc pētniekiem vajadzētu turpināt modifikācijas pētījumus, pamatojoties uz šiem diviem segu materiāliem, meklējot jaunu metāla saistītās slāņa materiālu attīstību, lai termiskā barjera seguma lietošanas temperatūra smagajiem gāzu dzinējiem varētu būt augstāka.