Pētījumu progresā un attīstības tendences par smagajiem gāzu turbinu un to siltumbarjeru segumiem (3)

2.1 Termālās barjerkošu siltuma sagatavošana

Līdz noteiktai mērā, siltumbarjera seguma mikrostruktūra ietekmē ne tikai seguma siltumnoviršņu un oksidēšanas atbalsta īpašības, bet arī noteica seguma ilgumu. Siltumbarjera seguma mikrostruktūra atkarīga ne tikai no izmantotā materiāla, bet arī no tās pagatavošanas procesa. Tāpēc ir arī svarīgi atlasīt piemērotu pagatavošanas procesu atbilstoši dažādiem pieprāšanai nepieciešamajiem prasībām. Segumu var pagatavot dažādos veidos, taču tie galvenokārt sadalās divās kategorijās: pirmā ir termiskais spriestšana, otra - fiziskās smilšu depozīcijas metode. Termiskā spriestšana ietver hiperskaņas spriestšanu, plazmas spriestšanu, sprādzienu spriestšanu un citus veidus. Spriestšanas metodes sagatavotais segums ir lapains. Fiziskās smilšu depozīcijas metode galvenokārt ir elektronu staru fiziskā smilšu depozīcija (EB-PVD), un sagatavotais segums ir kolonārs. Siltumbarjera seguma keramisko slāni bieži izmanto elektronu staru fiziskās smilšu depozīcijas, atmosfēras plazmas spriestšanas un citu metožu palīdzībā. Metāla saistīšanas slānis galvenokārt izmanto termiskās spriestšanas tehnoloģijas, piemēram, atmosfēras plazmas spriestšana (APS), zems spiediena plazmas spriestšana (LPPS) un hiperskaņas liesmas spriestšana (HVOF) [40]. Līdz šim APS un EB-PVD ir galvenākie veidi, kā sagatavot gāzu turbinu siltumbarjera segumus.

2.1.1 Atmosfēras plazmas spraude

APS ir veids, kā ar spraudu pistoli tiek radīts tiešstrauta lodes starp Ar, He, N2 un citiem gāzu veidiem, pārvēršot tos par plazmas straumi, lai keramiskā pulvere un metāla pulveris, ko transportē nosūtājsgāze, var tikt ātri uzsilots un izkaisīts līdz šķīstam vai pusšķīstam stāvoklim. Tehnoloģija formē apakšmateriala klāju ar lielu kinētisko enerģiju (80 ~ 300 m/s) iedarbības rezultātā elektriskajā laukā [42]. APS tehnoloģijas palīdzēja sagatavot termiskā barjera klāju, kas sastāv no daudziem partikulāriem slāņiem, kurus starpā saista galvenokārt mehāniski lamelāraji mikrostuktūras, kas satur daudz defektu, kas ir paralēli aliažu matricai, piemēram, porām un mikrospraizēm (kā redzams attēlā 2). Iespējamie cēloņi tam ir sekojoši: augstā temperatūras apstākļos keramika vai metāls kļūst par šķīsto partikulu, kas satur dažus apkārtējos gāzes, taču klājas dzenošanas process ir ļoti ātrs, kas neļauj gāzēm, kas ir šķīstās partikulas depozīcijas procesā, laicīgi izkrist, un tad rodas poras; Vienlaikus nepietiekams saistīšanas līmenis starp šķīstām partikulām var arī izraisīt poru un spraides klājā. Tādējādi, ja APS tiek izmantota termiskās barjerklāju sagatavošanai, tā ir ar augstu porainību un labu termiskās isolācijas īpašībām, tomēr tās trūkumi ir nepietiekama deformatīvā spēja un slikti pielāgojums termiskajiem šausmām [43], un tā tiek galvenokārt izmantota daļām ar labākiem darba apstākļiem. Turklāt, jo APS ir lēta klāju sagatavošanai, tā var būt piemērota lielākiem komponentiem.

2.1.2 Elektrona staru fiziskā smilšu atsitasana

EB-PVD ir tehnoloģija, kas izmanto augstenerģijas elektrona staru, lai sasilinātu segvadījumu pulveri vakuumkameras vidū un veidotu šķidruma baseini virs pulvera virsmas, pēc tam kerāmisko pulveri par vaporu un atsities to atomiskajā stāvoklī uz substrāta virsmas, veidojot termiskā barjera segumu [45], kā redzams attēlā 3. EB-PVD seguma struktūra ir kolonāla kristālu struktūra, kas ir perpendikulāri aliažu matricai. Segums un matrica galvenokārt saistīti ar metālisku saiti. Virsma nav tikai gluda, bet arī labi blīva, tāpēc tai ir augsts saites spēks, deformatīvās spējas un uguns slāpekļa pretestība. Tas galvenokārt tiek piemrots daļām ar grūtiem darba apstākļiem, piemēram, gāzes turbīnas rotoru loksnes. Tomēr EB-PVD seguma pagatavošanas izmaksas ir dārgas, var sagatavot tikai tumšus segumus, un daļu struktūras izmēriem ir noteikti prasības, tāpēc tas reti tiek izmantots gāzes turbīnās.

Abiejām iepriekš minētajām sagatavošanas procesu metodei jau ir sasniegts liels attīstības līmenis, tomēr katrai no tām joprojām pastāv savas problēmas, kā parādīts Tabulā 2. Pēdējos gados pētnieki aktīvi strādā pie to uzlabošanas un jaunu termiskās barjerkārtas izstrādes veidiem. Pašlaik no bieži izmantotajiem jaunajiem termiskās barjerkārtas izveides veidiem visauglībaizstāvētākais ir plazmas sprieduma fizikālās smilšu depozīcijas tehnoloģija (PS-PVD), kas tiek uzskatīta par vienu no augstāk vērtētajām un efektīvākajām termiskās barjerkārtas sagatavošanas metodēm.

2.1.3 Plazmas spriedums fizikālā smilšu depozīcija

PS-PVD tehnoloģija ir izstrādāta, pamatojoties uz zema spiediena plazmas spraudošanu. Ar šo metodi iegūtais seguma struktūra sastāv no pilieniem un kolonnām, un segumā esošie caurumi ir daudzskaitīgi, bet atstarpes ir lielas, kā parādīts 4. figūrā. Tāpēc PS-PVD tehnoloģija ir uzlabojusi EB-PVD seguma nepietiekamo termiskās isolācijas problēmu un APS seguma sliktos termiskos šoka īpašības. PS-PVD tehnoloģijas palīdzēja sagatavot termisku barjeru segumu ar augstu pieskaramo stiprumu, labu termisko izolāciju un labu termisko šoka pretestību, tomēr ar sliktu korozijas un CMAS oksidēšanas pretestību. Šajā bāzē ZHANG un citi [41] piedāvāja Al2O3 modificēšanas metodi PS-PVD 7YSZ termiskajam barjeru segumam. Eksperimentālie rezultāti liecina, ka aluminizācijas modificēšana var palielināt 7YSZ termiskā barjeru seguma oksidēšanas un CMAS korozijas pretestību.