Kemajuan penyelidikan dan trend perkembangan turbin gas berat dan pelapis penghalang haba mereka (2)

Penapis halangan terma

Latar belakang penyelidikan penapis halangan terma

Kerana kejayaan pembangunan gas turbin pertama pada tahun 1920, gas turbin sentiasa memainkan peranan penting dalam bidang penghasilan kuasa dan pemberian tenaga. Selain itu, dengan perkembangan teknologi industri, tahap teknologi gas turbin berat terus meningkat, dan bagaimana untuk meningkatkan kecekapan gas turbin berat menjadi semakin mendesak. Daun turbin adalah salah satu komponen utama sistem pembakaran gas turbin berat. Peningkatan suhu masukan turbin boleh meningkatkan kecekapan gas turbin berat secara efektif. Oleh itu, penyelidik berkaitan boleh bekerja menuju kepada peningkatan suhu masukan turbin. Untuk memenuhi permintaan suhu operasi yang meningkat bagi gas turbin cekap di masa depan, penapis halangan terma biasanya disemirkan di atas permukaan komponen hujung panas.

Pada tahun 1953, konsep penapis penghalang terma dicadangkan pertama kali oleh Institut Penyelidikan NASA-Lewis di Amerika Syarikat [13], iaitu, pelapukan keramik disemprotkan pada permukaan komponen yang beroperasi dalam persekitaran suhu tinggi melalui teknologi penyemprotan terma, untuk memberikan isolasi panas dan perlindungan, mengurangkan suhu permukaan bilah, mengurangkan keperluan bahan api enjin, dan memanjangkan tempoh perkhidmatan bilah. Penapis penghalang terma telah digunakan secara meluas dalam komponen hujung panas turbin gas industri dan aeroenjin (bilah turbin dan kamar pembakaran, dll.) kerana ciri-cirinya yang cemerlang seperti kos penyediaan rendah dan perlindungan isolasi terma yang baik, dan dikenali secara antarabangsa sebagai teknologi terdepan dalam pembuatan turbin gas berat.

Struktur sistem bagi penapis penghalang terma

• Dengan kemajuan dan perkembangan sains serta teknologi, suhu masukan turbin gas semakin meningkat. Untuk mencapai kesan termal yang lebih baik bagi pelapis penghalang haba, kebanyakan kajian di seluruh dunia terfokus kepada rekabentuk struktur pelapis penghalang haba, yang cukup menunjukkan kepentingan struktur pelapis penghalang haba [14]. Berdasarkan struktur pelapis yang berbeza, ia boleh dibahagikan kepada dua lapisan, pelbagai lapisan, dan struktur gradien [15].
• Di antara itu, penapis halang terma dua lapis yang terdiri daripada lapisan keramik dan lapisan ikatan, sebagai penapis halang terma yang paling mudah dan lebih matang dalam semua struktur penapis, telah digunakan secara meluas dalam teknologi penapis halang terma. Di antara itu, penapis halang terma berstruktur dua lapis yang paling banyak digunakan menggunakan zirkonia diperstabilkan ytrium 6 wt.% ~ 8 wt.% (6-8YSZ) sebagai bahan lapisan keramik luaran, dan aloi MCrAlY (M=Ni, Co, Ni+Co, dll.) sebagai bahan lapisan logam ikatan [16]. Walau bagaimanapun, disebabkan ketidaksepadanan antara pekali kembangan terma lapisan keramik dan lapisan ikatan logam, ia cenderung menghasilkan tegasan dalam penapis dan menyebabkan penapis jatuh awal.
• Untuk meningkatkan prestasi penapis penghalang terma, penyelidik telah menyediakan penapis penghalang terma berstruktur pelbagai lapisan dengan struktur yang relatif kompleks (penapis komposit), iaitu beberapa lapisan pemanjuran dan lapisan penghalang ditambahkan kepada asas penapis penghalang terma dua lapisan, umumnya lima lapisan. Di antara lapisan penghalang yang paling dikaji termasuk Al2O3, NiAl, dll. [17]. FENG et al. [18] menggunakan APS untuk menyediakan penapis penghalang terma YSZ dan LZ/YSZ (penapis penghalang terma dua lapisan keramik La2Zr2O7 / ZrO2-Y2O3), dan menggunakan teknologi peleburan semula oleh laser untuk meleburkan permukaan penapis, kemudian menjalankan ujianoksidasiterma pada 1 100℃. Keputusan menunjukkan bahawa berbanding dengan penapis penghalang terma YSZ, penapis penghalang terma dua keramik LZ/YSZ mempunyai ketahanan oksidasi yang lebih baik. Walaupun prestasi penapis penghalang terma pelbagai lapisan lebih baik daripada penapis penghalang terma dua lapisan, struktur dan proses penyediaannya lebih kompleks, dan ketahanan goncangan terma adalah buruk, jadi ia terhad dalam aplikasi praktikal. Oleh itu, penapis penghalang terma struktur gradien muncul.
• Struktur penselap penghalang terma gradien ditandai dengan perubahan gradien yang berterusan dalam komposisi dan struktur mengikut arah ketebalan penselap, yang menyebabkan antara lapisan menjadi tidak jelas. Dibandingkan dengan struktur dua lapisan dan pelbagai lapisan, penselap penghalang terma struktur gradien tidak hanya mempunyai rintangan kejutan terma yang cemerlang, tetapi juga menunjukkan perubahan gradien yang berterusan dalam prestasi, oleh itu ia mempunyai ciri-ciri penyelesaian tekanan terma dan boleh digunakan dalam persekitaran suhu tinggi yang keras. Teknologi penyemburan terma lapisan penghalang terma gradien fungsional telah dikaji oleh Encik. Walaupun terdapat pelbagai kaedah persiapan, penselap penghalang terma struktur gradien adalah buruk dalam amalan kerana proses persiapannya yang kompleks, sukar untuk mengawal komponen struktur dan kos yang tinggi.
• Secara ringkas, penapis halangan terma dua lapisan digunakan secara meluas dan prosesnya telah matang, dan ia masih merupakan bentuk struktur yang dipilih untuk penapis halangan terma. Lapisan keramik dan lapisan paut [20] dilapiskan pada matriks aloi dengan teknologi penyemprotan terma. Dalam keadaanoksidasiterma tinggi, selepas oksidasi, satu lapisan oksida tumbuh panas yang nipis terbentuk di permukaan lapisan paut, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1. Antaranya, matriks aloi, sebagai komponen yang dilindungi oleh penapis halangan terma, boleh memainkan peranan dalam membawa beban mekanikal luaran, dan bahan utamanya adalah superaloi berdasarkan nikel yang tahan terhadap suhu tinggi dan oksidasi. Peranan lapisan paut adalah untuk meningkatkan daya ikat antara lapisan keramik dan matriks aloi, ketebalannya biasanya 50 hingga 150 µm, dan bahan yang biasanya dipilih adalah MCrAlY (M=Ni/Co/Ni+Co), yang mempunyai perbezaan kecil dalam pekali pengembangan terma matriks aloi. Oksida pertumbuhan terma (TGO) terutamanya adalah satu filem nipis α-Al2O3 yang terbentuk di antara lapisan keramik dan lapisan paut dalam persekitaran oksidasi suhu tinggi, dengan ketebalan 1 hingga 10 µm, yang mempunyai kesan besar terhadap penapis. Lapisan keramik mempunyai fungsi termal, ketahanan terhadap kerosakan dan ketahanan terhadap impak [21], ketebalannya biasanya 100 hingga 400 μm, dan bahan utamanya adalah 6-8YSZ dengan pekali pengembangan terma yang relatif tinggi dan konduktiviti terma rendah [22].

Bahan-bahan penapis penghalang haba

Suhu masukan bilah turbin berkaitan rapat dengan kecekapan kerjanya. Hanya dengan meningkatkan suhu masukan bilah turbin, kecekapan kerja boleh ditingkatkan. Walau bagaimanapun, dengan perkembangan sains dan teknologi serta industri, suhu kerja bagi komponen ujung panas turbin gas berat masih meningkat, dan suhu had bagi bilah turbin kumpulan nikel adalah 1150℃, yang tidak dapat bekerja pada suhu yang lebih tinggi. Oleh itu, sangat mendesak untuk mencari dan membangunkan bahan pelapis penghalang terma dengan ciri-ciri cemerlang. Diantaranya, kerana syarat khidmat bagi pelapis penghalang terma sangat buruk, syarat pemilihan bahan pelapis penghalang terma lebih ketat dalam proses sebenar. Bahan lapisan keramik biasanya diperlukan untuk mempunyai konduktiviti haba rendah dan mata air yang tinggi, dan tidak mudah mengalami transformasi fasa dalam julat dari suhu ruangan hingga suhu khidmat, dan juga memerlukan pekakasan pelebaran haba yang tinggi, pengecaman haba yang cemerlang, perintang penyusunan dan ketahanan terhadap kerosakan [24]. Bahan lapisan pautan diperlukan untuk mempunyai ketahanan terhadap kerosakan, oksidan, kekuatan pautan yang baik dan sifat-sifat lain [25-26].

Bahan lapisan keramik

Keadaan perkhidmatan yang keras bagi pelapukan penghalang haba membataskan pilihan bahan-bahannya. Kini, bahan pelapukan penghalang haba yang sesuai untuk aplikasi praktikal sangat terhad, terutamanya bahan YSZ dan bahan YSZ yang diperkayakan dengan oksida tanah jarang.

(1) zirkonia oksida itrium diperstabilkan

Saat ini, di antara bahan keramik, ZrO2 menonjol kerana titik lebur yang tinggi, kekonduksian terma yang rendah, pekali kembangan terma yang tinggi dan keteguhan patah yang baik. Walau bagaimanapun, ZrO2 murni mempunyai tiga bentuk kristal: fasa monoklinik (m), fasa kubus (c) dan fasa tetragonal (t), dan ZrO2 murni mudah mengalami transformasi fasa, menyebabkan perubahan isi padu, yang memberi kesan negatif pada umur lapisan. Oleh itu, ZrO2 sering diperkaya dengan penstabil seperti Y2O3, CaO, MgO dan Sc2O3 untuk meningkatkan kestabilan fasanya. Di antara itu, 8YSZ mempunyai prestasi terbaik, ia mempunyai kekerasan yang mencukupi (~ 14 GPa), ketumpatan rendah (~ 6.4 Mg·m-3), kekonduksian terma rendah (~ 2.3 W·m-1 ·K-1 pada 1 000℃), titik lebur tinggi (~ 2 700℃), pekali kembangan terma tinggi (1.1×10-5 K-1) dan sifat-sifat cemerlang lain. Oleh itu, sebagai bahan lapisan keramik, ia digunakan secara meluas dalam lapisan penghalang terma.

(2) Oksida tanah jarang diperkaya YSZ

Apabila YSZ beroperasi dalam persekitaran yang lebih daripada 1 200 °C untuk tempoh yang lama, peralihan fasa dan penyinteran biasanya berlaku. Di satu pihak, fasa tak seimbang tetragonal t' ditukar kepada campuran fasa kubus c dan fasa tetragonal t, dan semasa penyejukan, t' ditukar kepada fasa monoklinik m, dengan peralihan fasa berterusan bersama-sama dengan perubahan isipadu, menyebabkan pelapis terkelupas dengan pantas [27]. Di pihak lain, penyinteran mengurangkan porositi dalam pelapis, mengurangkan prestasi pemalaran haba dan toleransi tegangan pelapis, serta meningkatkan kerasnya dan modulus elastik, yang sangat mempengaruhi prestasi dan hayat pelapis. Oleh itu, YSZ tidak dapat digunakan pada enjin turbin gas berat generasi seterusnya.

Secara amum, prestasi YSZ boleh ditingkatkan dengan menukar atau meningkatkan jenis penstabil zirkonia, seperti kaedah doping YSZ dengan oksida tanah jarang [28-30]. Didapati bahawa semakin besar perbezaan jejari antara ion Zr dan ion yang diperkaya, semakin tinggi konsentrasi kecacatan, yang dapat meningkatkan penebaran fonon dan mengurangkan kekonduksian haba [31]. CHEN et al. [32] menggunakan APS untuk menyediakan lapisan keramik penghalang haba (LGYYSZ) dengan La2O3, Yb2O3 dan Gd2O3 bersama-sama diperkaya dalam YSZ, dan mendapatkan pekali kembangan terma dan kekonduksian haba penghalang haba melalui pengukuran dan pengiraan, serta menjalankan ujian kitaran terma pada 1 400℃. Keputusan menunjukkan bahawa berbanding dengan lapisan YSZ, lapisan LGYYSZ mempunyai kekonduksian haba yang lebih rendah, hayat kitaran terma yang lebih panjang dan kestabilan fasa yang baik pada 1 500℃. Li Jia et al. [33] menyediakan serbuk YSZ yang diperkaya dengan Gd2O3 dan Yb2O3 melalui kaedah penyusunan kimia bersama dan menyediakan lapisan YSZ yang diperkaya dengan Gd2O3 dan Yb2O3 melalui APS, dan mengkaji kesan jumlah doping oksida yang berbeza terhadap kestabilan fasa lapisan. Keputusan menunjukkan bahawa kestabilan fasa lapisan YSZ yang diperkaya dengan Gd2O3 dan Yb2O3 adalah lebih baik daripada lapisan 8YSZ tradisional. Fasa m adalah kurang selepas rawatan haba pada suhu tinggi apabila jumlah doping rendah, dan fasa kubus stabil dihasilkan apabila jumlah doping tinggi.

Berbanding dengan YSZ tradisional, bahan keramik YSZ yang dimodifikasi baru mempunyai kekonduksian terma yang lebih rendah, yang membuat lapisan penghalang terma mempunyai prestasi insulasi terma yang lebih baik, dan memberikan asas penting untuk penyelidikan lapisan penghalang terma cemerlang. Walau bagaimanapun, prestasi komprehensif YSZ tradisional adalah baik, dan ia digunakan secara meluas, dan tidak dapat digantikan oleh mana-mana YSZ yang dimodifikasi.

Bahan lapisan paut

Lapisan pautan sangat penting dalam penapis halangan terma. Selain itu, lapisan seramik boleh diperkatkan dengan rapat kepada matriks aloi, dan tegasan dalaman yang disebabkan oleh ketidakselarian pekali kembangan terma dalam penapis boleh dikurangkan. Selain itu, ketahanan terma dan oksidan bagi keseluruhan sistem penapis boleh ditingkatkan dengan membentuk filem oksida yang rapat pada suhu tinggi, dengan itu memanjangkan umur penapis halangan terma. Pada masa kini, bahan yang digunakan untuk lapisan pautan biasanya adalah aloi MCrAlY (M adalah Ni, Co atau Ni+Co, bergantung kepada penggunaannya). Di antara itu, NiCoCrAlY secara meluas digunakan dalam turbin gas berat kerana ciri-ciri komprehensifnya yang baik seperti ketahanan oksidan dan korosi. Dalam sistem MCrAlY, Ni dan Co digunakan sebagai unsur matriks. Karena ketahanan oksidan yang baik dari Ni dan ketahanan lelah yang baik dari Co, ciri-ciri komprehensif Ni+Co (seperti ketahanan oksidan dan korosi) adalah baik. Manakala Cr digunakan untuk meningkatkan ketahanan korosi lapisan, Al boleh meningkatkan ketahanan oksidan lapisan, dan Y boleh meningkatkan ketahanan korosi dan ralat terma lapisan.

Prestasi sistem MCrAlY adalah cemerlang, tetapi ia hanya boleh digunakan untuk kerja di bawah 1 100℃. Untuk meningkatkan suhu khidmat, pengeluar dan penyelidik berkaitan telah membuat banyak kajian tentang pengubahsuaian lapisan MCrAlY. Sebagai contoh, menambah unsur keluli lain seperti W, Ta, Hf dan Zr [34] untuk memperbaiki prestasi lapisan ikatan. YU et al. [35] menyemprot lapisan halangan terma yang terdiri daripada lapisan ikatan NiCoCrAlY yang dimodifikasi Pt dan lapisan keramik zirkonia (4YSZ) berstruktur nano yang diperstabil oleh itrium 4 wt.% pada kelaluan nikel generasi kedua. Perilaku kitaran terma bagi lapisan halangan terma NiCoCrAlY-4YSZ dalam udara dan kesan Pt terhadap pembentukan dan perintang oksidan TGO telah dikaji pada 1 100℃. Keputusan menunjukkan bahawa berbanding Nicocraly-4YSZ, modifikasi NiCoCrAlY dengan Pt memberi faedah kepada pembentukan α-Al2O3 dan pengurangan kadar pertumbuhan TGO, dengan itu memanjangkan hayat lapisan halangan terma. GHADAMI et al. [36] menyediakan lapisan komposit nano NiCoCrAlY dengan menyemprot api supersonik menggunakan nanoCEO2. Lapisan komposit nano NiCoCrAlY dengan 0.5, 1 dan 2 wt.% nanoCEO2 telah dibandingkan dengan lapisan NiCoCrAlY konvensional. Keputusan menunjukkan bahawa lapisan komposit NICocRALy-1 wt.% nano-CEO2 mempunyai perintang oksidan yang lebih baik, kekerasan yang lebih tinggi dan porositi yang lebih rendah berbanding lapisan NiCoCrAlY konvensional lain dan lapisan komposit nano NiCoCrAlY.

Pada masa kini, selain sistem MCrAlY yang boleh diterapkan kepada lapisan ikat, NiAl juga merupakan bahan utama lapisan ikat. NiAl terutamanya terdiri daripada β-NiAl, yang membentuk filem oksida rapat berterusan di atas permukaan pelapis pada suhu lebih tinggi daripada 1 200℃, dan dikenali sebagai bahan calon paling berpotensi untuk lapisan logam jangka baru. Berbanding dengan MCrAlY dan pelapis β-NiAl tradisional, pelapis β-NiAl yang dimodifikasi PT mempunyai rintangan oksidasi dan kerosakan yang lebih baik. Walau bagaimanapun, filem oksida yang terbentuk pada suhu tinggi mempunyai daya lekat yang buruk, yang akan mengurangkan secara besar-besaran umur pelapis. Oleh itu, untuk meningkatkan prestasi NiAl, penyelidik melaksanakan kajian pengubahsuaian doping pada NiAl. Yang Yingfei et al. [37] menyediakan pelapis NiCrAlY, pelapis NiAl, pelapis NiAl yang dimodifikasi PT dan pelapis NiAl yang diberi Pt+Hf, dan membandingkan rintangan oksidasi keempat-empat pelapis ini pada 1 100℃. Keputusan akhir menunjukkan bahawa pelapis NiAl yang diberi Pt+Hf mempunyai rintangan oksidasi yang terbaik. Qiu Lin [38] menyediakan keluli NiAl dengan kandungan Al yang berbeza dan keluli β-NiAl dengan kandungan Hf/Zr yang berbeza melalui pengecaman vakum, dan mengkaji kesan Al, Hf dan Zr terhadap rintangan oksidasi keluli NiAl. Keputusan menunjukkan bahawa rintangan oksidasi keluli NiAl meningkat dengan peningkatan kandungan Al, dan penambahan Hf/Zr dalam keluli β-NiAl adalah menguntungkan untuk meningkatkan rintangan oksidasi, dengan jumlah doping optimum masing-masing 0.1 at.% dan 0.3 at.%. LI et al. [39] menyediakan pelapis β- (Ni, Pt) Al yang dimodifikasi tanah jarang baru pada keluli super Ni2Al-berdasarkan Mo-kaya melalui teknologi elektrodip dan aluminizing aktiviti rendah, dan membandingkan pelapis β- (Ni, Pt) Al yang dimodifikasi tanah jarang dengan pelapis β- (Ni, Pt) Al tradisional. Perilaku oksidan isoterma pelapis Pt) Al pada 1 100℃. Keputusan menunjukkan bahawa elemen tanah jarang boleh meningkatkan rintangan oksidasi pelapis.

Sebagai ringkasan, pelapis MCrAlY dan NiAl mempunyai kelebihan dan kekurangan masing-masing, maka penyelidik harus terus bersikeras dalam penyelidikan pemodifikasian berdasarkan dua bahan pelapis ini, mencari perkembangan bahan lapisan ikatan logam baru, supaya suhu khidmat bagi pelapis penghalang haba pada gas turbin berat boleh lebih tinggi.