Forskningsframgang og utviklingsrettning av tunge gassøyler og deres varmebarrieredyrker (2)

Varmebarrieredyning

Forskningsbakgrunn for varmebarrieredyninger

Ettersom den suksessrike utviklingen av den første gass turbine i 1920, har gass turbin alltid spilt en avgjørende rolle innenfor området for kraftgenerering og drev. I tillegg, med utviklingen av industriell teknologi, forbedres teknologinivået av tunge gass turbiner kontinuerlig, og hvordan man forbedrer effektiviteten til tunge gass turbiner blir stadig mer nødvendig. Turbinblad er ett av de viktige komponentene i brannsystemet til tunge gass turbiner. Å øke turbininngangstemperaturen kan effektivt forbedre effektiviteten til tunge gass turbiner. Derfor kan relevante forskere rette seg mot å øke temperaturen på turbininngangen. For å møte den økende kravspecifikasjonen for driftstemperatur av fremtidige effektive gass turbiner, sprøytes termiske barrierekoveringer vanligvis på overflaten av varmeendringskomponentene.

I 1953 ble konseptet for varmehindringsslagingsdekkning først foreslått av NASA-Lewis Research Institute i USA [13], det vil si at keramisk dekning sprøytes på overflaten til komponenter som virker i høytemperatursmiljøer ved hjelp av varmesprøytingsteknologi, for å gi varmeisolering og beskyttelse, redusere bladets overflate temperatur, senke brændstoffsforbruket til motoren og forlenge levetiden på bladet. Varmehindringsslagingsdekkning har blitt utbredt brukt i de varme endene av industrielle gass turbinekomponenter og flymotorene (turbinsblader og forbrenningskammer etc.) grunnet sine fremragende egenskaper som lave forberedelseskostnader og god varmeisoleringsskyttelse, og er internasjonalt anerkjent som en kantete teknologi for tung gass-turbineproduksjon.

Systemstruktur for varmehindringsslagingsdekkning

• Med fremgangen og utviklingen av vitenskap og teknologi blir inngangstemperaturen til gassrøster høyere og høyere. For å oppnå en bedre varmeisoleringseffekt av varmehindringsslag, fokuserer de fleste studier over hele verden på å designe strukturen til varmehindringsslaget, noe som tydeligvis viser viktigheten av strukturen til varmehindringsslaget [14]. Etter forskjellige coatingstrukturer kan det deles inn i to lag, flere lag og gradientstruktur [15].
• Blant dem er det dobbelslags varmebarrieredyret som består av en keramisk lag og et bindingslag, som er den enkleste og mest utviklet varmebarrieredyr blant alle dyrestrukturer, blitt vidt brukt i varmebarrieredyrteknologien. Den mest brukte dobbelslagsstrukturen for varmebarrieredyret bruker 6 wt.% ~ 8 wt.% ytteriumstabilisert sirkonia (6-8YSZ) som materiale for det ytre keramiske laget, og MCrAlY (M=Ni, Co, Ni+Co, osv.) alloy som metallbindingsmateriale [16]. Likevel, på grunn av uoverensstemmelse mellom termisk utvidelseskoefisienten til keramilaget og metallbindingslaget, er det lett å opprette spenninger i dyreringen som fører til at dyreringen faller av tidlig.
• For å forbedre ytelsen til varmehindringsslaget, forberedde forskerne et flerlagsstrukturert varmehindringsslag med en relativt kompleks struktur (sammensatt slagslag), det vil si at flere isolerings- og hindringslag ble lagt til på grunnlaget av et tolagsstrukturert varmehindringsslag, vanligvis fem lag. Blant disse er de mest studerte blokkeringslagene hovedsakelig Al2O3, NiAl, osv. [17]. FENG og andre [18] brukte APS for å lage YSZ-varmehindringsslag og LZ/YSZ-varmehindringsslag (La2Zr2O7 / ZrO2-Y2O3 dobbelt keramisk lag varmehindringsslag), og brukte laserremeltingsteknologi for å remelte overflaten på slaget, og deretter utførte høytemperaturoksidasjonstester på 1 100℃. Resultatene viser at i motsetning til YSZ-varmehindringsslag har LZ/YSZ-dobbelt keramisk varmehindringsslag bedre oksidasjonsmotstand. Selv om ytelsen til flerlagsvarmehindringsslaget er bedre enn den til tolagsvarmehindringsslaget, er dets struktur og fremstillingsprosess mer kompleks, og dess motstand mot varmekjøkken er dårlig, så det er begrenset i praktisk anvendelse. Derfor kommer gradientstrukturet varmehindringsslag til å eksistere.
• Gradientstrukturen varmebarrierelakkering er karakterisert ved en kontinuerlig gradientendring i sammensetning og struktur langs tetskikkerets tykkedireksjon, noe som fører til en uklar mellomlagsgrense. I forhold til to-lags- og flerlagsstrukturer har gradientstrukturen varmebarrierelakkering ikke bare fremragende varmepåvirkningsmotstand, men viser også en kontinuerlig gradientendring i ytelse, så den har egenskaper for varmestresslindring og kan brukes i streng høytemperatursmiljø. De hovedsaklige funksjonelt graderte varmesprøytingsteknikkene for varmebarrierelakkering ble gjennomgått av herr X. Selv om det finnes flere beredningsmetoder, er gradientstrukturen varmebarrierelakkering praktisk tatt dårlig på grunn av sin komplekse beredningsprosess, vanskelig å kontrollere strukturelle komponenter og høy kostnad.
• I oppsummering er den dobbeltskjiktet termiske barrieredyningen vidt brukt, og prosessen er moden. Den er fortsatt den foretrukne strukturelle formen for termisk barrieredyning. Keramikkskjiktet og bindingslaget [20] deponeres på allegrismatrisen ved hjelp av varmesprøytingsteknologi. Under høytemperaturoksidasjon danner det seg en tynt lag av varmevekstoksider på overflaten av bindingslaget etter oksidering, som vist i figur 1. Her spiller allegrismatrisen, som er en komponent beskyttet av termisk barrieredyning, en rolle ved å bære eksterne mekaniske laster, og materialet er hovedsakelig nikkelbaserte superlegemer med motstand mot høy temperatur og oksidasjon. Rollefunksjonen til bindingslaget er å forsterke bindingen mellom keramikkskjiktet og allegrismatrisen, tykkelsen er vanligvis 50 ~ 150 µm, og materialet er vanligvis valgt MCrAlY (M=Ni/Co/Ni+Co), som har liten forskjell i termisk utvidelseskoefisienten sammenlignet med allegrismatrisen. Termisk vekstoksider (TGO) er hovedsakelig en type α-Al2O3-tynnefilm som danner mellom keramikkskjiktet og bindingslaget under høytemperaturoksidasjonsmiljø, med en tykkelse på 1 ~ 10 µm, som har stor innvirkning på dyningen. Keramikkskjiktet har funksjonene isolasjon, korrosjonsmotstand og motstand mot impakt [21], tykkelsen er vanligvis 100 ~ 400 μm, og materialet er hovedsakelig 6-8YSZ med lav termisk ledningsevne og relativt høy termisk utvidelseskoefisient [22].

Materialer for varmebarrieredekning

Inngangstemperaturen til turbinebladet er tett knyttet til dets arbeids-effektivitet. Kun ved å øke inngangstemperaturen til turbinebladet kan effektiviteten forbedres. Likevel, med utviklingen av vitenskap og teknologi og industrien, stiger arbeidstemperaturen til de varme endene av tunge gass-turbiner fortsatt, mens grense temperaturen for nikkel-baserte alloy turbineblader er 1150℃, hvilket ikke lenger kan fungere ved høyere temperaturer. Derfor er det spesielt nødvendig å finne og utvikle termiske barrierekotingsmaterialer med fremragende egenskaper. Blant disse, fordi driftsforholdene for termisk barrierekoting er veldig dårlige, er valgkriteriene for termiske barrierekotingsmaterialer strengere i den faktiske prosessen. Keramiske lagematerialer kreves vanligvis å ha lav varmeledning og høy smeltepunkt, og bør ikke lett undergå fasetransformasjon i området fra romtemperatur til driftstemperatur, og trenger også høy termisk utvidelses-koeffisient, fremragende motstand mot termisk sjokk, sintermotstand og korrosjonsmotstand [24]. For bindingslagematerialet kreves det korrosjonsmotstand, oksidasjonsmotstand, god bindingsstyrke og andre egenskaper [25-26].

Material i keramisk lag

De strenge driftsforholdene for varmebarrieredyrkningen begrenser valget av materialer. I dag er de praktisk anvendbare varmebarrierematerialene veldig begrenset, hovedsakelig YSZ-materialer og rare jordoxider dopede YSZ-materialer.

(1) zirkonia stabilisert med yttriumoksid

For øyeblikket avviker ZrO2 blant keramiske materialer på grunn av sin høye smeltepunkt, lave varmeledningsevne, høy koeffisient for termisk utvidelse og god sprekkerfasthet. Likevel har ren ZrO2 tre krystallformer: monoklin (m) fase, kubisk (c) fase og tetragonell (t) fase, og ren ZrO2 er nokså underlagt fasedannelse, noe som fører til volumendring, hvilket har ugunstige effekter på overflatedeckens levetid. Derfor blir ZrO2 ofte dopt med stabilisatorer som Y2O3, CaO, MgO og Sc2O3 for å forbedre dens fasestabilitet. Blant disse har 8YSZ de beste egenskapene; det har tilstrekkelig hardhet (~ 14 GPa), lav tetthet (~ 6,4 Mg·m-3), lav varmeledningsevne (~ 2,3 W·m-1 ·K-1 ved 1 000℃), høyt smeltepunkt (~ 2 700℃), høy koeffisient for termisk utvidelse (1,1×10-5 K-1) og andre fremragende egenskaper. Derfor brukes det som keramisk lagemateriale i varmeskyttende dekkinger.

(2) Sjeldne jordoxider dopet YSZ

Når YSZ arbeider i et miljø over 1 200 °C i lengre tid, oppstår vanligvis fasetransisjon og sintering. På den ene siden transformeres den ujevnbare tetragonale fasen t' til en blanding av kubisk fase c og tetragonale fase t, og under kjøling transformeres t' til monokline fase m, og fasetransisjonen skjer kontinuerlig med volumendringene, noe som raskt fører til at coatinget faller av [27]. På den andre siden reduserer sinteringen porositeten i coatinget, minsker termoinsulasjonsytelsen og spennings toleransen på coatinget, og øker hardheten og elastisk modul, noe som påvirker ytelsen og levetiden på coatinget sterkt. Derfor kan YSZ ikke brukes i neste generasjon av tunge gass turbine motorer.

Generelt kan ytelsen av YSZ forbedres ved å endre eller øke typen av stabilisator for sirkonia, for eksempel ved å dope YSZ med sjeldne jordoxider [28-30]. Det er funnet at jo større forskjellen i radius mellom Zr-ioner og dopede ioner, jo høyere konvensentrasjon av defekter, noe som kan forbedre fononavling og redusere varmeledningsevnen [31]. CHEN et al. [32] brukte APS for å lage et termisk barriereslag keramikklag (LGYYSZ) med La2O3, Yb2O3 og Gd2O3 kodopet YSZ, og fant ut termisk utvidelseskoeffisient og varmeledningsevne av termisk barriereslaget gjennom måling og beregning, og utførte en termisk syklustest på 1 400℃. Resultatene viser at sammenlignet med YSZ-slaget har LGYYSZ-slaget lavere varmeledningsevne, lengre termisk syklusliv og god fasestabilitet på 1 500℃. Li Jia et al. [33] laga Gd2O3 og Yb2O3 kodopet YSZ-pulver ved kjemisk kodobbling og laga Gd2O3 og Yb2O3 kodopet YSZ-slag ved APS, og studerte innvirkningen av ulike oksiddopingmengder på fasestabiliteten til slaget. Resultatene viser at fasestabiliteten til Gd2O3 og Yb2O3 kodopet YSZ-slag er bedre enn den tradisjonelle 8YSZ-slagen. m-fasen oppstår mindre etter varmetreating på høy temperatur når dopingmengden er lav, og den stabile kubiske fasen produseres når dopingmengden er høy.

I forhold til den tradisjonelle YSZ-en har det nye modifiserte YSZ-keramikkmaterialet lavere varmeledningsevne, noe som gjør at termisk barrierelakkering har bedre varmeisoleringsegenskaper, og gir en viktig grunnlag for forskningen på høy ytelse termisk barrierelakkering. Likevel er den generelle ytenesessprestasjonen av den tradisjonelle YSZ-en god, og den brukes mye, og kan ikke bli erstatt av noen modifiserte YSZ.

Festlagsmateriale

Kleeslaget er veldig viktig i termisk barrieredyning. I tillegg kan keramikkslaget bli godt kleet til alleymatrisen, og den interne spenningen forårsaket av misvækst i termisk utvidelseskoeffisient i dypningen kan reduseres. I tillegg kan termisk korrosjonsmotstand og oksidasjonsmotstand for hele dypningssystemet forbedres ved å danne en tet oksidfilm under høy temperatur, slik at livstiden på termisk barrieredyningen kan lengkes. For tiden er materialet som brukes til kleeslaget vanligvis MCrAlY-alle (M er Ni, Co eller Ni+Co, avhengig av bruk). Blant disse er NiCoCrAlY mye brukt i tunge gassdrivere grunnet sine gode generelle egenskaper som oksidasjonsmotstand og korrosjonsmotstand. I MCrAlY-systemet brukes Ni og Co som matriselementer. Grunnet Ni's gode oksidasjonsmotstand og Co's gode utmattelsesmotstand, er de generelle egenskapene til Ni+Co (som oksidasjons- og korrosjonsmotstand) gode. Mens Cr brukes for å forbedre korrosjonsmotstanden til dypningen, kan Al forsterke oksidasjonsmotstanden til dypningen, og Y kan forbedre korrosjons- og termisk støttemotstanden til dypningen.

Ytelsen til MCrAlY-systemet er fremragende, men det kan bare brukes for arbeid under 1 100℃. For å øke tjenestetemperaturen har relevante produsenter og forskere gjort mye forskning på modifisering av MCrAlY-dekningen. For eksempel, doping med andre legemelementer som W, Ta, Hf og Zr [34] for å forbedre ytelsen til bindelseslaget. YU et al. [35] sprengte en varmebarrieredekning bestående av Pt-modifisert NiCoCrAlY-bindelseslag og nanostrukturert 4 vekt.% jordistabilisert sirkonia (4YSZ) keramisk lag på den andre generasjonens nikkelbaserte superlegemet. Termisk syklusjonsatferd for NiCoCrAlY-4YSZ-varmebarrieredekningen ble undersøkt i luft og effekten av Pt på formingen og oksidasjonstilstanden av TGO ble studert ved 1 100℃. Resultatene viser at sammenlignet med Nicocraly-4YSZ, er modifiseringen av NiCoCrAlY med Pt fordelsom for formingen av α-Al2O3 og reduksjonen av TGO-vokstegnethetsrate, slik at dette utsteder livslengden til varmebarrieredekningen. GHADAMI et al. [36] forberedde NiCoCrAlY-nanokompositdekning ved supersonisk flammespreying med nanoCEO2. NiCoCrAlY-nanokompositdekningene med 0.5, 1 og 2 vekt.% nanoCEO2 ble sammenlignet med konvensjonelle NiCoCrAlY-dekninger. Resultatene viser at NICocRALy-1 vekt.% nano-CEO2 kompositdekning har bedre oksidasjonsmotstand, høyere hardhet og lavere porositet enn andre konvensjonelle NiCoCrAlY-dekninger og NiCoCrAlY nano-kompositdekninger.

For tiden kan, i tillegg til MCrAlY-systemet som kan brukes på klebeflagen, også NiAl være et nøkkelmaterial for klebeflagen. NiAl består hovedsakelig av β-NiAl, som danner en kontinuerlig og tet oksidfilm på overflaten av dekket ved temperaturer over 1 200℃, og anerkjennes som det mest potensielle kandidatmaterialet for en ny generasjon med metallsammenfusjonslag. I sammenligning med MCrAlY og tradisjonelle β-NiAl-dekk, har PT-modifiserte β-NiAl-dekk bedre oxidasjonstilbakeholdenhet og korrosjonsmotstand. Likevel har oksidfilmene som danner seg ved høy temperatur dårlig adhesjon, noe som vil forkorte livstiden på dekket betraktelig. Derfor har forskere utført dopingmodifiseringsstudier på NiAl for å forbedre ytelsen til NiAl. Yang Yingfei et al. [37] lagede NiCrAlY-dekk, NiAl-dekk, PT-modifisert NiAl-dekk og Pt+Hf kodopet NiAl-dekk, og sammenlignet oxidasjonstilbakeholdenheten til disse fire dekkene ved 1 100℃. De endelige resultater viser at Pt+Hf kodopet NiAl-dekk hadde den beste oxidasjonstilbakeholdenheten. Qiu Lin [38] lavede NiAl-blokkelegger med ulik Al-innhold og β-NiAl-blokkelegger med ulik Hf/Zr-innhold ved vakuum-bueformering, og studerte effekten av Al, Hf og Zr på oxidasjonstilbakeholdenheten til NiAl-legemet. Resultatene viste at oxidasjonstilbakeholdenheten til NiAl-legemet økte med økningen av Al-innholdet, og at tilsetning av Hf/Zr i β-NiAl-legemet var fordelsfullt for å forbedre oxidasjonstilbakeholdenheten, med optimale dopingmengder på henholdsvis 0,1 at.% og 0,3 at.%. LI et al. [39] lagede et nytt sjeldne-jordmodifisert β- (Ni, Pt) Al-dekk på Mo-rik Ni2Al-basert superlegering ved elektrodeponering og lavaktivitetetsalumineringsteknologi, og sammenlignet sjeldne-jordmodifisert β- (Ni, Pt) Al-dekk med tradisjonelt β- (Ni, Pt) Al-dekk. Isotermisk oxidationsatferdighet for Pt) Al-dekk ved 1 100℃. Resultatene viser at sjeldne jordelementer kan forbedre oxidasjonstilbakeholdenheten til dekket.

I oppsummering har MCrAlY- og NiAl-dekninger sine egne fordeler og ulemper, så forskere bør fortsette med å foreta modifiseringsforskning på grunnlag av disse to dekningsmaterialene, og lete etter utviklingen av nye metallbindingsskjemamaterialer, slik at tjenestetemperaturen for varmebarrieredekningen til tunge gassdrivne motorene kan være høyere.