Kemajuan penyelidikan dan trend perkembangan turbin gas berat dan pelapis penghalang haba mereka (3)

2.1 Persiapan penapis penghalang terma

Sejauh mana mikrostruktur lapisan penghalang haba tidak hanya mempengaruhi sifat-sifat seperti pemaian haba, perintangan oksidasi dan lain-lain, tetapi juga menentukan umur lapisan. Mikrostruktur lapisan penghalang haba bergantung tidak sahaja kepada bahan yang digunakan, tetapi juga kepada proses penyediaannya. Oleh itu, penting juga untuk memilih proses penyediaan yang sesuai mengikut keperluan penyediaan yang berbeza. Terdapat banyak cara untuk menyediakan lapisan penghalang haba, tetapi ia terbahagi kepada dua kategori utama: satu ialah kaedah semburan haba, dan yang lain adalah kaedah penindapan wap fizikal. Di antara itu, kaedah semburan haba merangkumi kaedah semburan hipersonik, semburan plasma, semburan letupan dan sebagainya. Lapisan yang disiapkan melalui semburan haba bersifat berlapis. Penindapan wap fizikal terutamanya menggunakan elektron sinaran elektron (EB-PVD), dan lapisan yang disiapkan bersifat tiubul. Lapisan keramik bagi lapisan penghalang haba sering kali digunakan dengan kaedah seperti sinaran elektron fizikal penindapan wap, semburan plasma atmosfera dan lain-lain. Lapisan logam ikatan utamanya mengandungi teknologi semburan haba seperti semburan plasma atmosfera (APS), semburan plasma tekanan rendah (LPPS) dan semburan api hipersonik (HVOF) [40]. Sehingga kini, APS dan EB-PVD merupakan kaedah utama untuk menyediakan lapisan penghalang haba turbin gas.

2.1.1 Penyemprotan plasma atmosfera

APS adalah satu jenis arus terus ark yang dijana oleh senapang semburan untuk menukarkan Ar, He, N2 dan gas lain menjadi jet plasma, supaya serbuk keramik dan logam yang dihantarkan oleh gas pembawa boleh dipanaskan dengan pantas dan dileburkan kepada zarah leburan atau separuh-leburan. Teknologi ini membentuk lapisan pada permukaan matriks superaloi dengan menimpaknya menggunakan kinetik tenaga tinggi (80 ~ 300 m/s) di bawah tindakan medan elektrik [42]. Lapisan penghalang haba yang disediakan oleh teknologi APS terdiri daripada banyak zarah yang saling bertumpu, dan matriksnya terutamanya berikat mekanikal kepada mikrostruktur lamellar, yang mengandungi banyak kecacatan selari dengan matriks aloi, seperti pori-pori dan ralat mikro (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2). Sebab-sebab pembentukan ini adalah sebagai berikut: di bawah keadaan suhu tinggi, keramik atau logam akan cair untuk membentuk zarah leburan, dan akan mengandungi beberapa gas persekitaran, tetapi kadar penyejukan lapisan sangat cepat, yang akan membuatkan gas yang terlarut dalam zarah leburan semasa proses deposit tidak dapat terendapkan tepat waktu, dan kemudian membentuk pori-pori; Pada masa yang sama, ikatan yang tidak mencukupi antara zarah leburan juga akan menyebabkan terbentuknya pori-pori dan ralat dalam lapisan. Oleh itu, jika APS digunakan untuk menyediakan lapisan penghalang haba, ia mempunyai tahap porositi yang tinggi dan mempunyai prestasi penghabaan yang baik, tetapi kelemahannya adalah toleransi tegangan yang tidak mencukupi dan ketahanan terhadap tekanan haba yang buruk [43], dan ia terutamanya digunakan untuk komponen dengan persekitaran kerja yang relatif baik. Selain itu, APS adalah murah untuk disiapkan, jadi ia boleh diterapkan kepada komponen yang lebih besar.

2.1.2 Pengendapan Vapur Fizik Berbanding Elektron

EB-PVD adalah teknologi yang menggunakan sinaran elektron berkuasa tinggi untuk memanaskan serbuk pelapis dalam kamar vakum dan membentuk kolam leburan di permukaan serbuk untuk menguapkan serbuk keramik dan melapikannya pada permukaan substrat dalam keadaan atom untuk membentuk pelapis penghalang terma [45], seperti ditunjukkan dalam Rajah 3. Struktur pelapis EB-PVD adalah struktur kristal tiang yang berserenjang dengan matriks aloi, dan pelapis serta matriks terutamanya disambungkan oleh metallurgy. Permukaannya tidak hanya licin, tetapi juga mempunyai ketumpatan yang baik, jadi ia mempunyai daya ikat yang tinggi, toleransi tegangan dan perlawanan terhadap tekanan terma. Ia terutamanya digunakan pada komponen dengan alam kerja yang keras, seperti bilah rotor turbin gas. Walau bagaimanapun, kos penyiapan pelapis EB-PVD adalah mahal, dan hanya pelapis tipis yang boleh disiapkan, serta saiz struktur komponen mempunyai keperluan tertentu, jadi ia jarang digunakan dalam turbin gas.

Kedua proses persiapan di atas telah menjadi sangat matang, tetapi masih terdapat masalah masing-masing, seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 2. Dalam beberapa tahun terakhir, penyelidik berkaitan terus membaiki dan mencipta kaedah persiapan pelapis penghalang haba baru. Kini, di antara kaedah persiapan pelapis penghalang haba biasa, yang paling cemerlang adalah teknologi pengejapan plasma keabuan fizik (PS-PVD), yang dikenali sebagai salah satu kaedah persiapan pelapis penghalang haba yang paling berjanji dan berkesan.

2.1.3 Pengejakan plasma keabuan fizik

Teknologi PS-PVD dikembangkan berdasarkan penyemprotan plasma tekanan rendah. Struktur lapisan yang disiapkan dengan kaedah ini adalah bulu burung dan lajur, dan pori-pori dalam lapisan adalah banyak dan celahnya besar, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4. Oleh itu, teknologi PS-PVD telah membaiki masalah ketiadaan pemanjuran haba yang mencukupi bagi lapisan EB-PVD dan kekurangan ketahanan terhadap syok haba bagi lapisan APS, dan lapisan penghalang haba yang disiapkan dengan teknologi PS-PVD mempunyai kekuatan ikatan tinggi, prestasi pemanjuran haba yang baik dan ketahanan terhadap syok haba yang baik, tetapi ketahanan kerosakan dan oksidasi CMAS yang lemah. Berdasarkan ini, ZHANG et al. [41] mencadangkan kaedah menukar lapisan penghalang haba PS-PVD 7YSZ dengan Al2O3. Keputusan eksperimen menunjukkan bahawa ketahanan oksidan dan ketahanan kerosakan CMAS bagi lapisan penghalang haba 7YSZ yang disiapkan dengan teknologi PS-PVD boleh ditingkatkan melalui penyesuaian aluminizing.