Kemajuan penyelidikan dan trend perkembangan turbin gas berat dan pelapis penghalang haba mereka (4)

Ciri-ciri utama penapis haba turbin gas

Kerana kerja turbin gas berat bumi biasanya berada dalam persekitaran yang kompleks, dan kitaran pemeliharaannya panjang, ia boleh mencapai sehingga 50,000 jam. Oleh itu, untuk meningkatkan teknologi pelapis penghalang haba turbin gas dan memperpanjang tempoh perkhidmatan pelapis penghalang haba, dalam beberapa tahun kebelakangan ini, penyelidik telah membuat banyak kajian tentang ciri-ciri utama pelapis penghalang haba, seperti penjanaan haba, perlawanan oksidan, perlawanan rantaian terma dan perlawanan kerosakan CMAS. Di antaranya, penyelidikan dan kemajuan pelapis penghalang haba dalam penjanaan haba, perlawanan oksidan dan perlawanan rantaian terma adalah cukup mencukupi, tetapi perlawanan kepada kerosakan CMAS adalah agak kurang. Pada masa yang sama, kerosakan CMAS telah menjadi mod kegagalan utama pelapis penghalang haba, menghalang perkembangan turbin gas jenerasi seterusnya yang cekap tinggi. Oleh itu, bahagian ini terlebih dahulu secara ringkas memperkenalkan penjanaan haba, perlawanan oksidan dan perlawanan rantaian terma pelapis penghalang haba, dan kemudian memberi tumpuan kepada kemajuan penyelidikan mekanisme kerosakan CMAS dan teknologi perlindungan pelapis penghalang haba dalam Bahagian 4.

Sifat termal insulasi

Dengan perkembangan industri, turbin gas berprestasi tinggi telah menetapkan keperluan yang lebih tinggi terhadap suhu masukan turbin. Oleh itu, sangat penting untuk meningkatkan insulasi haba lapisan penghalang haba. Insulasi haba lapisan penghalang haba berkaitan dengan bahan, struktur dan proses penyediaan lapisan. Selain itu, persekitaran khidmat lapisan penghalang haba juga akan mempengaruhi prestasi insulasi habanya.

Kepadaan terma adalah amnya digunakan sebagai indeks penilaian untuk prestasi insulasi terma bagi pelapis penghalang terma. Liu Yankuan dan lain-lain [48] telah menyediakan pelapis YSZ yang doped dengan 2 mol.% Eu3+ menggunakan APS, dan apabila dibandingkan dengan pelapis YSZ, hasilnya menunjukkan bahawa kepadaan terma bagi pelapis YSZ yang doped dengan 2 mol.% Eu3+ lebih rendah, iaitu insulasi terma bagi pelapis YSZ yang doped dengan 2 mol.% Eu3+ lebih baik. Didapati bahawa ciri ruang dan geometri pori dalam pelapis mempunyai kesan besar ke atas kepadaan terma [49]. SUN dan lain-lain [50] telah menjalankan kajian perbandingan tentang kepadaan terma dan modulus elastik bagi pelapis penghalang terma dengan struktur pori yang berbeza. Hasilnya menunjukkan bahawa kepadaan terma dan modulus elastik pelapis penghalang terma berkurang dengan pengurangan saiz pori, dan semakin tinggi porositi, semakin rendah kepadaan thermanya. Banyak kajian telah menunjukkan bahawa berbanding dengan pelapis EB-PVD, pelapis APS mempunyai insulasi terma yang lebih baik, kerana pelapis APS mempunyai porositi yang lebih tinggi dan kepadaan terma yang lebih rendah [51]. RATZER-SCHEIBE dan lain-lain [52] telah mengkaji kesan ketebalan pelapis EB-PVD PYSZ ke atas kepadaan terma, dan hasilnya menunjukkan bahawa ketebalan pelapis EB-PVD PYSZ sangat mempengaruhi kepadaan thermanya, iaitu ketebalan pelapis juga merupakan salah satu faktor penting yang mempengaruhi prestasi insulasi terma pelapis penghalang terma. Keputusan penyelidikan oleh Gong Kaisheng dan lain-lain [53] juga menunjukkan bahawa dalam julat ketebalan pelapis aplikasi sebenar, prestasi insulasi terma pelapis berkadar langsung dengan ketebalannya dan beza suhu persekitaran. Walaupun prestasi insulasi terma pelapis penghalang terma akan diperkuat dengan peningkatan ketebalan, apabila ketebalan pelapis terus bertambah hingga nilai tertentu, ia mudah menyebabkan konsentrasi tegasan dalam pelapis, yang menyebabkan kegagalan awal. Oleh itu, untuk meningkatkan prestasi insulasi terma pelapis dan memperpanjang tempoh khidmatnya, ketebalan pelapis harus diatur secara rasional.

perlawanan oksidasi

Di bawah keadaan oksidasi suhu tinggi, lapisan TGO dengan mudah terbentuk dalam penutup penghalang panas. Pengaruh TGO pada penutup penghalang panas [54] mempunyai dua aspek: Di satu pihak, TGO yang terbentuk boleh menghalang oksigen daripada terus menyebur masuk dan mengurangkan kesan luaran terhadap oksidasi matriks aloi. Di pihak lain, dengan penebalan berterusan TGO, disebabkan oleh modulus elastiknya yang besar dan perbezaan besar antara pekali kembangan terma dan lapisan perekat, ia juga relatif mudah menghasilkan tekanan besar semasa proses penyejukan, yang akan membuat penutup terlepas dengan pantas. Oleh itu, untuk memperpanjang umur penutup penghalang panas, adalah mendesak untuk meningkatkan ketahanan oksidan penutup.

XIE et al. [55] mengkaji pembentukan dan pertumbuhan kelakuan TGO, yang terbahagi kepada dua peringkat utama: pertama, satu lapisan rapat α -Filem Al2O3 telah dibentuk pada lapisan paut, dan kemudian satu oksida bercampur porus telah terbentuk di antara lapisan keramik dan α -Al2O3. Keputusan menunjukkan bahawa bahan utama yang menyebabkan retak dalam penapis halangan terma adalah oksida bercampur porus dalam TGO, bukan α -Al2O3. LIU et al. [56] mencadangkan kaedah yang diperbaiki untuk mensimulasikan kadar pertumbuhan TGO melalui analisis berangka evolusi tegangan dalam dua peringkat, supaya boleh memperkasakan kehidupan penutup penghalang terma dengan tepat. Oleh itu, ketebalan TGO boleh dikawal secara berkesan dengan mengawal kadar pertumbuhan bercampur oksida berpori yang merbahaya, supaya kegagalan awal penutup penghalang terma boleh dielakkan. Keputusan menunjukkan bahawa pertumbuhan TGO boleh ditunda dengan menggunakan penutup penghalang terma keramik ganda, setoran lapisan pelindung di permukaan penutup dan meningkatkan ketumpatan permukaan penutup, dan daya tahan oksidasi penutup boleh ditingkatkan sehingga tahap tertentu. AN et al. [57] menggunakan teknologi APS untuk menyediakan dua jenis penutup penghalang terma: Perilaku pembentukan dan pertumbuhan TGO dikaji melalui ujian oksidasi isotermal pada 1 100 ℃ . Yang pertama adalah pelapisan keramik berganda YAG/YSZ (DCL TBC) dan yang kedua adalah pelapisan keramik tunggal YSZ (SCL TBC). Keputusan kajian menunjukkan bahawa proses pembentukan dan pertumbuhan TGO mengikuti hukum-hukum termodinamik, seperti ditunjukkan dalam Rajah 5: Berdasarkan formula (1) ~ (8), Al2O3 terbentuk terlebih dahulu, kemudian pengoksidaan ion Y membentuk lapisan Y2O3 yang sangat nipis di permukaan TGO Al2O3, dan keduanya bertindak balas dengan satu sama lain untuk membentuk Y3Al5O12. Apabila ion Al direduksi kepada nilai tertentu, elemen logam lain dalam lapisan ikatan yang telah dioxida sebelum dan selepas membentuk oksida bercampur (Cr2O3, CoO, NiO dan oksida spinel, dll.), membentuk Cr2O3, CoO, NiO terlebih dahulu, kemudian bertindak balas dengan (Ni, Co) O dan Al2O3 untuk membentuk (Ni, Co) Al2O4. (Ni, Co) O bertindak balas dengan Cr2O3 untuk membentuk (Ni, Co) Al2O4. Dibandingkan dengan SCL TBC, kadar pembentukan dan pertumbuhan TGO dalam DCL TBC lebih perlahan, jadi ia mempunyai sifat anti-oksidasi suhu tinggi yang lebih baik. Xu Shiming et al. [58] menggunakan penyemburan magnetron untuk menyedimkan filem pada permukaan pelapisan 7YSZ. Selepas rawatan haba, α -Lapisan Al2O3 dihasilkan melalui tindak balas in-situ. Kajian tersebut menunjukkan bahawa α -Lapisan Al2O3 yang terbentuk pada permukaan pelapukan boleh meningkatkan perlawanan oksidasi pelapukan dengan menghalang penyebaran ion oksigen. FENG et al. [59] menunjukkan bahawa pemampatan semula menggunakan laser pada permukaan pelapukan APS YSZ boleh meningkatkan perlawanan oksidasi pelapukan, terutamanya kerana pemampatan semula menggunakan laser boleh meningkatkan kepadatan pelapukan, dengan itu memperlambat pertumbuhan TGO.

Ketahanan Terhadap Kejutan Terma

Apabila komponen hujung panas turbin gas berat berkhidmat dalam alam sekitar suhu tinggi, mereka sering mengalami syok terma yang disebabkan oleh perubahan suhu yang pantas. Oleh itu, bahagian keluli boleh dilindungi dengan meningkatkan ketahanan syok terma pada penapis penghalang terma. Ketahanan syok terma penapis penghalang terma biasanya diuji melalui ujian kitaran terma (syok terma), dipegang pada suhu tinggi untuk tempoh masa tertentu, dan kemudian dikeluarkan untuk didinginkan dengan udara/air, iaitu satu kitaran terma. Ketahanan syok terma penapis penghalang terma dinilai dengan membandingkan bilangan kitaran terma yang dialami oleh penapis apabila ia gagal. Kajian menunjukkan bahawa ketahanan syok terma penapis penghalang struktur gradien adalah lebih baik, terutamanya kerana ketebalan penapis penghalang struktur gradien adalah kecil, yang dapat memperlahankan tegangan terma dalam penapis [60]. ZHANG et al. [61] telah menjalankan ujian kitaran terma pada 1 000 ℃ pada tiga bentuk lapisan penghalang panas iaitu bintik, garis dan grid yang diperoleh melalui pencairan semula oleh laser pada lapisan penghalang panas NiCrAlY / 7YSZ, dan dikaji ketahanan terhadap syok terma bagi spesimen disemprot dan tiga sampel dengan bentuk berbeza selepas rawatan laser. Keputusan menunjukkan bahawa sampel bintik mempunyai ketahanan syok terma yang terbaik dan hayat kitaran terma adalah dua kali ganda daripada sampel semburan. Walau bagaimanapun, ketahanan syok terma bagi sampel garisan dan grid adalah lebih buruk daripada sampel semburan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6. Selain itu, banyak kajian telah menunjukkan bahawa beberapa bahan lapisan baru mempunyai ketahanan syok terma yang baik, seperti SrAl12O19 [62] yang dicadangkan oleh ZHOU dan lain-lain, LaMgAl11O19 [63] yang dicadangkan oleh LIU dan lain-lain, dan Sm2 (Zr0.7Ce0.3) 2O7 [64] yang dicadangkan oleh HUO dan lain-lain. Oleh itu, untuk meningkatkan ketahanan syok terma bagi lapisan penghalang panas, selain daripada reka bentuk dan optimasi struktur lapisan, ia mungkin mencari dan membangunkan bahan baru dengan ketahanan syok terma yang baik.