Onderzoek naar voortgang en ontwikkelingstrend van zware gasturbines en hun thermische barrièrbestrijkingen (2)

Thermische barrièrbekleiding

Onderzoeksachtergrond van thermische barrièrbekleiding

Sinds de succesvolle ontwikkeling van de eerste gasturbine in 1920, heeft de gasturbine altijd een centrale rol gespeeld in het gebied van elektriciteitsopwekking en aandrijving. Daarnaast verbetert met de ontwikkeling van de industriële technologie het technische niveau van zware gasturbinen continu, en hoe het rendement van zware gasturbinen te verbeteren wordt steeds dringender. De turbinevleugel is een van de belangrijke onderdelen van het brandstelsel van de zware gasturbine. Het verhogen van de toetemperatuur van de turbine kan het rendement van de zware gasturbine effectief verbeteren. Daarom kunnen relevante onderzoekers zich richten op het verhogen van de temperatuur van de turbine-inlaat. Om aan de toenemende eisen voor bedrijfstemperatuur van toekomstige efficiënte gasturbinen te voldoen, worden thermische barrièrbekledingen doorgaans gespoten op de oppervlakte van hete onderdelen.

In 1953 werd het concept van thermische barrièrbekleiding voor het eerst voorgesteld door het NASA-Lewis Research Institute in de Verenigde Staten [13], dat wil zeggen, keramische bekleding wordt gespoten op het oppervlak van onderdelen die werken in een hoge temperatuuromgeving via thermisch spuiten, om zo isolatie en bescherming te bieden, de temperatuur van de bladoppervlakte te verlagen, het brandstofverbruik van de motor te verminderen en de levensduur van het blad te verlengen. Thermische barrièrbekleiding wordt breed toegepast in de hete onderdelen van industriële gasturbines en vliegtuigmotoren (turbinebladen en verbrandingskamers etc.) vanwege zijn uitstekende kenmerken zoals lage productiekosten en goede thermische isolatiebescherming, en wordt internationaal erkend als een toptechnologie voor de productie van zware gasturbines.

Systeemstructuur van thermische barrièrbekleiding

• Met de vooruitgang en ontwikkeling van wetenschap en technologie wordt de inkomstemperatuur van gasturbines steeds hoger. Om een betere thermische isolatie van het thermisch barrièrlaag te bereiken, richten de meeste studies over de hele wereld zich op het ontwerpen van de structuur van het thermisch barrièrlaag, wat voldoende aantoont de belangrijkheid van de structuur van het thermisch barrièrlaag [14]. Volgens de verschillende structuur van de coating kan deze worden ingedeeld in een dubbel laag, meerdere lagen en een gradientstructuur [15].
• Daaronder is de dubbel-laag thermische barrièrbestrijking, bestaande uit een keramische laag en een bindlaag, als de eenvoudigste en meest volwassen thermische barrièrbestrijking van alle coatingstructuren, alomvattend toegepast in thermische barrièrbestrijkingstechnologie. Van deze dubbele structuurthermische barrièrbestrijking wordt 6 wt.% ~ 8 wt.% yttriumgestabiliseerd zirkonia (6-8YSZ) gebruikt als het buitenste keramische materiaal, en MCrAlY (M=Ni, Co, Ni+Co, etc.) legering als het metaalbindende laagmateriaal [16]. Toch is het gemakkelijk om spanning te produceren in de coating en de coating vroeg los te laten door de onverenigbaarheid tussen de thermische uitzettingscoëfficiënt van de keramische laag en de metalen bindlaag.
• Om de prestaties van de thermische barrièrbelaging te verbeteren, hebben de onderzoekers een meervoudige structurale thermische barrièrbelaging met een relatief complexe structuur (compositiebelaging) voorbereid, dat wil zeggen dat er verschillende lagen van isolatie en barrièrelagen worden toegevoegd op basis van de dubbele structurale thermische barrièrbelaging, meestal vijf lagen. Daaronder zijn de meest bestudeerde blokkagelagen voornamelijk Al2O3, NiAl, enz. [17]. FENG et al. [18] gebruikten APS om YSZ thermische barrièrbelaging en LZ/YSZ thermische barrièrbelaging (La2Zr2O7 / ZrO2-Y2O3 dubbele keramische laag thermische barrièrbelaging) voor te bereiden, en gebruikten laserherstoltings technologie om het belagsoppervlak te herstolten, waarna er een hoge temperatuuroxidatietest op 1 100℃ werd uitgevoerd. De resultaten tonen aan dat in vergelijking met YSZ thermische barrièrbelaging, de LZ/YSZ dubbele keramische thermische barrièrbelaging betere oxidatiemededingingsvermogen heeft. Hoewel de prestaties van de meervoudige thermische barrièrbelaging beter zijn dan die van de dubbele thermische barrièrbelaging, is haar structuur en bereidingproces complexer, en heeft ze slechtere thermische schokweerstand, dus is haar praktische toepassing beperkt. Daarom komt de gradientstructuur thermische barrièrbelaging tot stand.
• De thermische barrièrbekleding met een gradiëntstructuur wordt gekenmerkt door een continue gradiëntwijziging van samenstelling en structuur in de richting van de bekledingsdikte, wat resulteert in een onduidelijke tussenlaagsinterface. In vergelijking met dubbel-laag- en meervoudige-laagstructuren heeft de thermische barrièrbekleding met een gradiëntstructuur niet alleen uitstekende thermische schokweerstand, maar toont ook een continue gradiëntwijziging in prestaties, waardoor het thermische spanningsoptimaaliseringskenmerken heeft en kan worden toegepast in strenge hoge temperatuuromgevingen. De belangrijkste thermische spuittechnieken voor functioneel gegradeerde thermische barrièrbekledingen werden doorgenomen door de heer. Hoewel er verschillende bereidingsmethoden zijn, is de praktijk van de thermische barrièrbekleding met een gradiëntstructuur slecht omdat het een complexe bereidingsprocedure heeft, moeilijk te beheersen structuurcomponenten en hoge kosten.
• Samenvattend wordt de dubbel-laags thermische barrièrbelaging breed gebruikt en is het proces volledig ontwikkeld; het blijft nog steeds de voorkeursstructuur van thermische barrièrbelagen. De keramische laag en de bindlaag [20] worden afgezet op de leggermatrix door thermisch spuiten. Bij hoge temperatuuroxidatie vormt zich na oxidatie een dunne laag van oxideringsgroei op het oppervlak van de bindlaag, zoals weergegeven in Figuur 1. Daaronder speelt de leggermatrix, als onderdeel dat beschermd wordt door de thermische barrièrbelaging, een rol bij het dragen van externe mechanische belastingen, waarbij het materiaal voornamelijk bestaat uit nikkelgebaseerde superleggers met hoogtemperatuurweerstand en oxidatieweerstand. De functie van de bindlaag is om de binding tussen de keramische laag en de leggermatrix te versterken, de dikte bedraagt doorgaans 50 ~ 150 µm, en het materiaal wordt meestal geselecteerd uit MCrAlY (M=Ni/Co/Ni+Co), wat een kleine verschil in thermische uitzettingscoëfficiënt met de leggermatrix vertoont. Thermische groeioxid (TGO) bestaat voornamelijk uit een soort α-Al2O3-dunne film die zich vormt tussen de keramische laag en de bindlaag in een omgeving van hoge temperatuuroxidatie, met een dikte van 1 ~ 10 µm, wat een grote invloed heeft op de belaging. De keramische laag heeft de functies van warmteisolatie, corrosieweerstand en schokweerstand [21], de dikte bedraagt doorgaans 100 ~ 400 μm, en het materiaal bestaat voornamelijk uit 6-8YSZ met een lage thermische geleiheid en relatief hoge thermische uitzettingscoëfficiënt [22].

Materialen voor thermische barrièrbestrijking

De inkomstemperatuur van de turbinevleugel is nauw verbonden met zijn werk效tefficiëntie. Alleen door de inkomstemperatuur van de turbinevleugel te verhogen kan de werkefficiëntie worden verbeterd. Met de ontwikkeling van wetenschap en technologie en de industrie stijgt echter de werktemperatuur van de hete onderdelen van zware gasturbines nog steeds, terwijl de limiettemperatuur van de nikkelgebaseerde legering turbinevleugel 1150℃ bedraagt, waarna deze niet langer op hogere temperaturen kan functioneren. Daarom is het bijzonder dringend om thermische barrièrmateriaalen met uitstekende eigenschappen te vinden en te ontwikkelen. Onder hen, omdat de dienstcondities van de thermische barrièrlaag zeer slecht zijn, zijn de selectievoorwaarden voor thermische barrièrmateriaal strenger in het daadwerkelijke proces. Er wordt doorgaans gevraagd dat keramische laagmateriaal een lage warmtegeleiding heeft en een hoge smeltpunt, en niet gemakkelijk faseovergangen ondergaat in het bereik van kamertemperatuur tot diensttemperatuur, en ook een hoge thermische uitzettingscoëfficiënt nodig heeft, uitstekend thermisch schokweerstand, sinterweerstand en corrosieweerstand [24]. Van het bindlaagmateriaal wordt gevraagd dat het corrosieweerstand, oxideringsweerstand, goede bindingsterkte en andere eigenschappen heeft [25-26].

Material van de keramische laag

De strenge bedieningsomstandigheden van de thermische barrièrbelaging beperken de keuze van materialen. Momenteel zijn de thermische barrièrbelagingsmaterialen die geschikt zijn voor praktische toepassing zeer beperkt, voornamelijk YSZ-materialen en zeldmetaaloxide gedopeerde YSZ-materialen.

(1) zirkonia gestabiliseerd met yttriumoxide

Momenteel onderscheidt ZrO2 zich onder de keramische materialen door zijn hoge smelpunt, lage thermische conductiviteit, hoge coëfficiënt van thermische uitbreiding en goede schervsterkte. Zuivere ZrO2 heeft echter drie kristalvormen: de monoclinische (m) fase, de cubische (c) fase en de tetragonale (t) fase, en zuivere ZrO2 ondergaat gemakkelijk een fasetransformatie, wat leidt tot volumeveranderingen met negatieve gevolgen voor de levensduur van de coating. Daarom wordt ZrO2 vaak gedopeerd met stabilisatoren zoals Y2O3, CaO, MgO en Sc2O3 om zijn fasestabiliteit te verbeteren. Hiervan heeft 8YSZ de beste prestaties; het heeft voldoende hardheid (~ 14 GPa), lage dichtheid (~ 6,4 Mg·m-3), lage thermische conductiviteit (~ 2,3 W·m-1 ·K-1 bij 1000℃), hoge smeltpunt (~ 2700℃), hoge coëfficiënt van thermische uitbreiding (1,1×10-5 K-1) en andere uitstekende eigenschappen. Daarom wordt het als keramisch laagmateriaal breed toegepast in thermische barrièrsystemen.

(2) Zeldmetaalloxiden gedopeerde YSZ

Wanneer YSZ werkt in een omgeving boven 1 200 °C gedurende een lange tijd, komen faseovergangen en sintering vaak voor. Aan de ene kant wordt de niet-equilibriume tetragonale fase t' getransformeerd in een mengsel van de cubische fase c en de tetragonale fase t, en tijdens het afkoelen wordt t' getransformeerd in de monocline fase m, waardoor er continu een faseovergang plaatsvindt met het veranderen van volume, wat resulteert in een snel afschilferen van de coating [27]. Aan de andere kant vermindert sintering de porositeit in de coating, wat de thermische isolatieprestaties en de spanningstolerantie van de coating verlaagt, terwijl de hardheid en elastische modulus toenemen, wat een grote invloed heeft op de prestaties en levensduur van de coating. Daarom kan YSZ niet worden toegepast in de volgende generatie zware gas turbine motoren.

In het algemeen kan de prestatie van YSZ worden verbeterd door het type stabilisator van zirkonia te veranderen of te vergroten, zoals de methode van doping van YSZ met zeldmetaaloxiden [28-30]. Er is ontdekt dat hoe groter het verschil in straal tussen Zr-ionen en gedopeerde ionen is, des te hoger de concentratie van defecten, wat phonon verstrooiing kan verbeteren en de thermische geleiheid kan verminderen [31]. CHEN et al. [32] gebruikten APS om een thermisch isolatielaag (LGYYSZ) te bereiden met La2O3, Yb2O3 en Gd2O3 co-doped YSZ, en bepaalden de thermische uitbreidingscoëfficiënt en de thermische geleiheid van de thermische barrièrlaag door middel van metingen en berekeningen, en voerden een thermische cyclus test uit bij 1 400℃. De resultaten tonen aan dat vergeleken met de YSZ-coating, de LGYYSZ-coating een lagere thermische geleiheid heeft, een langere thermische cyclusleven en goede fase-stabiliteit bij 1 500℃. Li Jia et al. [33] bereidden Gd2O3 en Yb2O3 co-doped YSZ poeder voor door middel van een chemische co-precipitatiemethode en bereidden Gd2O3 en Yb2O3 co-doped YSZ coating door APS, en onderzochten de invloed van verschillende oxide dopinghoeveelheden op de fasestabiliteit van de coating. De resultaten tonen aan dat de fasestabiliteit van de Gd2O3 en Yb2O3 co-doped YSZ coating beter is dan die van de traditionele 8YSZ coating. Na hittebehandeling bij hoge temperatuur is de m-fase minder wanneer de dopinghoeveelheid laag is, en wordt een stabiele kubische fase geproduceerd wanneer de dopinghoeveelheid hoog is.

In vergelijking met het traditionele YSZ heeft het nieuwe gewijzigde YSZ-ceramische materiaal een lagere thermische geleiheid, wat de thermische isolatieprestaties van de thermisch barriercoating verbetert en een belangrijke basis biedt voor onderzoek naar hoogwaardige thermische barriercoatings. Toch is de algehele prestatie van traditioneel YSZ goed, wordt het breed toegepast en kan het niet worden vervangen door enig gewijzigd YSZ.

Bevestigingslaagmateriaal

Het bindlaagje is zeer belangrijk in de thermische barrièrbelaging. Daarnaast kan het keramische laagje nauw aan het legeringsmatrix worden gebonden, en kan de interne spanning die wordt veroorzaakt door de ongelijkheid van de thermische uitzettingscoëfficiënt in de belaging worden verminderd. Daarnaast kan de thermische corrosieweerstand en oxidatiethermiek van het gehele belagssysteem worden verbeterd door een dichte oxiderende film te vormen bij hoge temperaturen, waardoor de levensduur van de thermische barrièrbelaging wordt verlengd. Momenteel wordt het materiaal dat wordt gebruikt voor het bindlaagje meestal een MCrAlY-legering (M is Ni, Co of Ni+Co, afhankelijk van de toepassing). Hiervan wordt NiCoCrAlY breed toegepast in zware gas-turbines vanwege zijn goede alomvattende eigenschappen zoals oxidatiethermiek en corrosieweerstand. In het MCrAlY-systeem worden Ni en Co gebruikt als matrix-elementen. Door de goede oxidatiethermiek van Ni en de goede vermoeidheidswerking van Co hebben Ni+Co (zoals oxidatiethermiek en corrosieweerstand) goede eigenschappen. Terwijl Cr wordt gebruikt om de corrosieweerstand van de belaging te verbeteren, kan Al de oxidatiethermiek van de belaging verbeteren, en kan Y de corrosieweerstand en thermische schokweerstand van de belaging verbeteren.

De prestaties van het MCrAlY-systeem zijn uitstekend, maar het kan alleen worden gebruikt voor werkzaamheden onder de 1 100℃. Om de dienstemperatuur te verhogen, hebben de betrokken fabrikanten en onderzoekers veel onderzoek gedaan naar de aanpassing van de MCrAlY-coating. Bijvoorbeeld, doping met andere legeringselementen zoals W, Ta, Hf en Zr [34] om de prestaties van de bindlaag te verbeteren. YU et al. [35] spatten een thermisch barrièrsysteem aan dat bestaat uit een Pt-gemodificeerde NiCoCrAlY-bindlaag en een nanostructuurde 4 gew.% yttrium-gestabiliseerde zirkonia (4YSZ) keramische laag op de tweede generatie nikkelgebaseerde superleggering. Het thermische cyclisch gedrag van de NiCoCrAlY-4YSZ thermische barrièrlaag in lucht en het effect van Pt op de vorming en oxidatieresistentie van TGO werden onderzocht bij 1 100℃. De resultaten tonen aan dat vergeleken met Nicocraly-4YSZ, de modificatie van NiCoCrAlY door Pt gunstig is voor de vorming van α-Al2O3 en de vermindering van de groeisnelheid van TGO, waardoor de levensduur van de thermische barrièrlaag wordt verlengd. GHADAMI et al. [36] bereidden een NiCoCrAlY nanocompositelaag voor door supersonische vlamspuiting met nanoCEO2. De NiCoCrAlY nanocompositelagen met 0,5, 1 en 2 gew.% nanoCEO2 werden vergeleken met conventionele NiCoCrAlY-lagen. De resultaten tonen aan dat de NICocRALy-1 gew.% nano-CEO2 compositelaag betere oxidatieresistentie, hogere hardheid en lagere porositeit heeft dan andere conventionele NiCoCrAlY-lagen en NiCoCrAlY nanocompositelagen.

Momenteel kan, naast het MCrAlY-systeem dat toegepast kan worden op de bindlaag, ook NiAl een belangrijk materiaal voor de bindlaag zijn. NiAl bestaat voornamelijk uit β-NiAl, dat bij temperaturen hoger dan 1200℃ een continue, dichte oxidelayer vormt op het oppervlak van de coating en wordt beschouwd als het meest potentiele kandidaatmateriaal voor een nieuwe generatie metaalbindinglagen. In vergelijking met MCrAlY en traditionele β-NiAl coatings hebben PT-gecorrigeerde β-NiAl coatings betere oxidatieresistentie en corrosieresistentie. Toch heeft de oxidefilm die bij hoge temperaturen ontstaat slechte hechting, wat de levensduur van de coating aanzienlijk verkort. Daarom hebben onderzoekers dopingmodificatiestudies uitgevoerd op NiAl om de eigenschappen van NiAl te verbeteren. Yang Yingfei et al. [37] bereidden een NiCrAlY-coating, NiAl-coating, PT-gecorrigeerde NiAl-coating en Pt+Hf gemodificeerde NiAl-coating voor en vergeleken de oxidatieresistentie van deze vier coatings bij 1100℃. De eindresultaten tonen aan dat de beste oxidatieresistentie wordt behaald door de Pt+Hf gemodificeerde NiAl-coating. Qiu Lin [38] bereidde NiAl-blokallianties met verschillende Al-inhoud en β-NiAl-blokallianties met verschillende Hf/Zr-inhoud door vacuümboogsmelten en onderzocht de invloed van Al, Hf en Zr op de oxidatieresistentie van NiAl-allianties. De resultaten toonden aan dat de oxidatieresistentie van NiAl-allianties toenam met de verhoging van de Al-inhoud, en dat het toevoegen van Hf/Zr in β-NiAl-allianties gunstig is voor de oxidatieresistentie, met optimale dopinghoeveelheden van respectievelijk 0,1 at.% en 0,3 at.%. LI et al. [39] bereidden een nieuwe zeldmetaal-gecorrigeerde β-(Ni, Pt) Al coating op een Mo-rijke Ni2Al-gebaseerde superalliantie door elektrodepositie en lage-activiteits-alumideringstechnologie en vergelijkten de zeldmetaal-gecorrigeerde β-(Ni, Pt) Al coating met de traditionele β-(Ni, Pt) Al coating. Isotermische oxidatiegedrag van Pt) Al coating bij 1100℃. De resultaten tonen aan dat zeldmetaal-elementen de oxidatieresistentie van de coating kunnen verbeteren.

Samenvattend hebben MCrAlY- en NiAl-coating hun eigen voordelen en nadelen, dus onderzoekers moeten doorgaan met modificatieonderzoek op basis van deze twee coatingmaterialen, op zoek naar de ontwikkeling van nieuwe metaalbindinglagenmateriaalen, zodat de diensttemperatuur van de thermische barrièrbescherming voor zware gasturbines hoger kan zijn.