Pētījumu progresā un attīstības tendences par smagajiem gāzu turbinu un to siltumbarjeru segumiem (4)

Galvenās gāzes turbinas termiskā barjeras revējuma īpašības

Tā kā zemes gāzes turbīnu darbība parasti notiek sarežģītā vidē, un apskatīšanas cikls ir garš, tas var sasniegt līdz 50 000 stundām. Tāpēc, lai uzlabotu gāzes turbīnu siltumbarjera aptīkumu tehnoloģiju un pagarinātu siltumbarjera aptīkuma dienestam ilgumu, pēdējos gados pētnieki veicis daudz pētījumus par svarīgajiem īpašībām, piemēram, siltumizolāciju, oksidēšanās pretestību, siltuma šoka pretestību un CMAS korozijas pretestību. No tiem, pētījumi un progresi par siltumbarjera aptīkumu siltumizolāciju, oksidēšanās pretestību un siltuma šoka pretestību ir salīdzinoši pilnveidoti, tomēr CMAS korozijas pretestības joma ir maz attīstīta. Turklāt CMAS korozija ir kļuvusi par galveno nespēju režimu siltumbarjera aptīkumam, kas traucē nākamās paaudzes augstas efektivitātes gāzes turbīnu attīstību. Tāpēc šajā nodaļā vispirms īsumā tiek ieviesta par siltumbarjera aptīkuma siltumizolāciju, oksidēšanās pretestību un siltuma šoka pretestību, un tad koncentrējas uz CMAS korozijas mehānismu un aizsardzības tehnoloģiju pētījumu progresu 4. nodaļā.

Šķērsmaiņu īpašība

Ar rūpniecības attīstību augstas efektivitātes gāzu turbiņas ir uzdodamas augstākas prasības turbinas ieejas temperatūrai. Tāpēc ir ļoti svarīgi uzlabot šķērsmaiņu apgabala seguma termiskās izolācijas īpašības. Šis seguma termiskā izolācija ir saistīta ar materiālu, struktūru un pagatavošanas procesu. Turklāt arī šķērsmaiņu apgabala seguma darbības vides ietekme var ietekmēt tās termisko izolāciju.

Termiskās vingrinātspējas parasti tiek izmantota kā novērtējuma indekss termiskās izolācijas īpašībām siltumbarjeru segumiem. Liu Yankuan un citi [48] ieguva 2 mol.% Eu3+ dopētu YSZ segumu ar APS un salīdzināja to ar ne-dopētu YSZ segumu, parādot, ka 2 mol.% Eu3+ dopēta YSZ seguma termiskā vingrinātspēja bija zema, tas nozīmē, ka tā termiskā izolācija bija labāka. Tika atklāts, ka poru telpiskie un ģeometriskie raksturi segumā lielā mērā ietekmē termisko vingrinātspēju [49]. SUN un citi [50] veica salīdzinājumu starp termisko vingrinātspēju un elastiskā modula siltumbarjeru segumiem ar dažādiem poru struktūru raksturiem. Rezultāti parādīja, ka termiskā vingrinātspēja un elastiskais modulis siltumbarjeru segumam samazinās, ja samazinās poru lielums, un jo augstāka porulne, jo zemāka termiskā vingrinātspēja. Daudzas pētniecības ir parādījušas, ka salīdzinājumā ar EB-PVD segumu, APS segums piedāvā labāku termisko izolāciju, jo tas ir ar augstāku porulni un zemāku termisko vingrinātspēju [51]. RATZER-SCHEIBE un citi [52] pētīja EB-PVD PYSZ seguma biežuma ietekmi uz termisko vingrinātspēju, un rezultāti parādīja, ka EB-PVD PYSZ seguma biežums lielā mērā ietekmēja tā termisko vingrinātspēju, tas nozīmē, ka seguma biežums bija viens no galvenajiem faktoriem, kas ietekmē siltumbarjeru seguma termisko izolāciju. Gong Kaisheng un citu [53] pētījumi arī parāda, ka reālā seguma pielietojuma biežuma diapazonā seguma termiskā izolācija ir proporcionāla tā biežumam un vides temperatūras atšķirībai. Lai gan siltumbarjeru seguma termiskā izolācija uzlabosies, palielinot tā biežumu, kad seguma biežums turpinās pieaugt līdz noteiktai vērtībai, tas var viegli radīt sprieguma koncentrāciju segumā, kas izraisīs agru nespēju. Tāpēc, lai uzlabotu seguma termisko izolāciju un pagarinātu tā dienāšanas ilgumu, seguma biežums jāregulē pareizi.

Oksidēšanās atgaidījums

Augstākā temperatūras oksidēšanas apstākļos termiskajā barjerās segumā viegli veidojas TGO slānis. TGO ietekme uz termisko barjeru [54] ir divpusīga: no vienas puses, izveidotais TGO var novērst skābekli no turpmākas iekšējās difuzijas un samazināt ārējo ietekmi uz alija matricas oksidēšanos. No otras puses, ar nepārtrauktu TGO stiprināšanos, tā lielajam elastiskajam modulim un lielajam atšķirību starp tās termiskās paplašināšanās koeficientu un lemošanas slāņa, tas arī ērti var radīt lielu spiedienu šīdzes procesā, kas var izraisīt seguma ātru atkāpšanos. Tāpēc, lai pagarinātu termiskās barjeru garīgu, steidzami jāuzlabo seguma oksidēšanas atbalsts.

XIE un citi [55] pētīja TGO veidošanās un izaugsmes uzvedību, kas galvenokārt sadalījās divās posmās: pirmais bija ciešs α -Al2O3 filma tika veidota uz saistības slāņa, un pēc tam starp kerāmisko slāni un tika veidots porozs maiņas oksīds α -Al2O3. Rezultāti parāda, ka galvenais vielmaiņu cēlonis termiskajā barjerkošanā ir porozais maiņas oksīds TGO, nevis α -Al2O3. LIU un kolēģi [56] ierosināja uzlabotu metodi, lai modelētu TGO izaugsmes tempu, veicot skaitlisku analīzi par spēku evolucionu divos posmos, lai precīzi paredzētu termiskās barjerkošu dzīvību. Tādējādi TGO biežums var tikt efektīvi kontrollēts, regulējot poroza siltuma sabiedrotajiem drosējošo miksoksīdu izaugsmes tempu, lai izvairītos no termiskās barjerkošu agrīna nespējuma. Rezultāti liecina, ka TGO izaugsmi var atlikt, izmantojot divkāpēju keramisko termiskās barjerkošu, aizsardzības slāņa depozīciju uz slāņa virsmas un uzlabojot slāņa virsmas blīvumu, un ka slāņa oksidēšanas atgaidījuma var tikt uzlabota līdz noteiktam līmenim. AN un kolēģi [57] izmantoja APS tehnoloģiju, lai gatavotu divus veidus termiskām barjerkošām: TGO veidošanu un izaugsmi pēta, veicot izotermales oksidēšanas testus temperatūrā 1 100 °C . Pirmā ir YAG/YSZ divkāpējā keramikas barjeras apsegšana (DCL TBC), bet otrā – YSZ vienkāpējā keramikas barjeras apsegšana (SCL TBC). Pētījuma rezultāti parāda, ka TGO veidošanās un augšanas process sekos termodinamikas likumiem, kā redzams attēlā 5: Saskaņā ar formulām (1) ~ (8), vispirms tiek veidots Al2O3, pēc tam Y jonas oksidēšanās veido ļoti smagu Y2O3 slāni uz Al2O3 TGO virsmas, un abi reaģē viens ar otru, lai veidotu Y3Al5O12. Kad Al jonas satura samazināšanās sasniedz noteiktu vērtību, citi metālu elementi saites slānī tiek oksidēti pirms un pēc tam, veidojot miksoxīdus (Cr2O3, CoO, NiO un spinela oksīdus utt.), vispirms veidojot Cr2O3, CoO, NiO, un pēc tam reaģē ar (Ni, Co) O un Al2O3, lai veidotu (Ni, Co) Al2O4. (Ni, Co) O reaģē ar Cr2O3, lai veidotu (Ni, Co) Al2O4. Salīdzinājumā ar SCL TBC, DCL TBC TGO veidošanās un augšanas tempus ir lēnāks, tāpēc tas piedāvā labākas augsttemperatūras antioksidanta īpašības. Xu Shiming un kolēģi [58] izmantojās magnetrона spuldzināšanu, lai iedepostētu filmu uz 7YSZ apsegšanas virsmas. Pēc termiskās apstrādes, α -Al2O3 slānis radīts ar in-situ reakciju. Pētījums parādīja, ka α -Al2O3 slānis uz seguma virsmas var uzlabot seguma oksidēšanās pretestību, novēršot skābekļa jonu difūzi. FENG un citi [59] parādīja, ka lasera pārmelšana APS YSZ seguma virsmā var uzlabot seguma oksidēšanās pretestību, galvenokārt tāpēc, ka lasera pārmelšana var uzlabot seguma ciešumu, tādējādi kavējot TGO izaugsmi.

Termiskā šoka pretestība

Kad smagā gāzes turbinu karstās daļas darbojas augsttemperatūras vide, tām bieži rodas termiskais šoks, izraisīts āras temperatūras mainīšanās. Tāpēc aliažu daļām var nodrošināt aizsardzību, uzlabojot termiskā barjera seguma atbildību pret termisko šoku. Termiskā barjera seguma atbildība pret termisko šoku parasti tiek pārbaudīta ar termiskā cikla (termiskais šoks) testu, pirmām kārtām uzturējot augstā temperatūrā dažas minūtes un pēc tam noņemot to uz gaisa/vēdera dzesēšanas – tas ir viens termiskais cikls. Termiskā barjera seguma atbildība pret termisko šoku novērtējama salīdzinot termisko ciklu skaitu, ko segums pieredzēja līdz savai nespējībai. Pētījumi liecina, ka gradiента struktūras termiskā barjera seguma atbildība pret termisko šoku ir labāka, galvenokārt tādēļ, ka gradienta struktūras termiskā barjera seguma biežums ir mazāks, kas var atliktināt termiskos spiedienus segumā [60]. ZHANG un citi [61] veica termiskā cikla testus pie 1 000 °C par trim formas punktu, līniju un režģa termiskajām barjerēm slāņiem, kas iegūti, izmantojot lasers remelting NiCrAlY / 7YSZ termiskā barjera slānis, un pētīja termiskās šoka atbalstību spirtajiem paraugiem un trim paraugiem ar dažādiem formātiem pēc lasers apstrādes. Rezultāti parāda, ka punkta paraugs ir ar vislabāko termiskās šoka atbalstību un termiskais cikls ilgāks divas reizes salīdzinājumā ar spirtā parauga. Tomēr, līnijas un režģa paraugu termiskā šoka atbalstība ir sliktāka nekā spirtā parauga, kā redzams attēlā 6. Turklāt, liels skaits pētījumiem ir parādījuši, ka daži jauni slāņu materiāli ir ar labu termiskās šoka atbalstību, piemēram, SrAl12O19 [62], ko piedāvāja ZHOU un kolēģi, LaMgAl11O19 [63], ko piedāvāja LIU un kolēģi, un Sm2 (Zr0.7Ce0.3) 2O7 [64], ko piedāvāja HUO un kolēģi. Tāpēc, lai uzlabotu termiskās šoka atbalstību termiskajam barjeru slānim, pieņemot struktūras dizainu un optimizāciju slāņa, iespējams atrast un izstrādāt jaunus materiālus ar labu termiskās šoka atbalstību.