Forskningsframgang og utviklingsrettning av tunge gassøyler og deres varmebarrieredyrker (3)

2.1 Forberedelse av varmeforskytingslager

I visse grenser påvirker mikrostrukturen av termisk barrierelakk ikke bare isolasjonsegenskapene, oxidasjonsmotstanden og andre egenskaper til lakken, men bestemmer også levetiden til lakken. Mikrostrukturen av termisk barrierelakk avhenger ikke bare av materialet som brukes, men også av dens forberedelsesprosess. Derfor er det også viktig å velge den passende forberedelsesmetoden etter ulike krav. Det finnes mange måter å lage termiske barrierelakker på, men de inngår hovedsakelig i to kategorier: den ene er termisk sprøyting, og den andre er fysisk dampdeponering. Blant annet omfatter termisk sprøyting høyfartssprøyting, plasma-sprøyting, eksplosjons-sprøyting og andre. Lakken laget ved termisk sprøyting er platt. Fysisk dampdeponering er hovedsakelig elektronstråle-fysisk dampdeponering (EB-PVD), og den produserte lakken er søyler. Keramikkskjiktet i termiske barrierelakker brukes ofte med metoder som elektronstråle-fysisk dampdeponering, atmosfærisk plasma-sprøyting og andre. Metallbindingsskjiktet bruker hovedsakelig termisk sprøytingsteknologier som atmosfærisk plasma-sprøyting (APS), lavtrykk-plasma-sprøyting (LPPS) og høyfartsflamme-sprøyting (HVOF) [40]. Inntil nå er APS og EB-PVD de hovedsaklige metodene for å lage termiske barrierelakker for gass turbine.

2.1.1 Atmosfærisk plasmaskriving

APS er en type direkte strøm bue generert av spraypistolen for å konvertere Ar, He, N2 og andre gasser til plasmastrøm, slik at keramikkpulver og metallpulver som transporteres av bærergassen kan bli raskt oppvarmet og smeltet til smeltede eller halvsmeltede partikler. Teknologi for å danne et overflatebeklædning på superlegemeleddet ved å ramme det med stor kinetisk energi (80 ~ 300 m/s) under virkningen av elektrisk felt [42]. Termobarettbeklædningen forberedt ved APS-teknologien består av mange partikler som er overlappet, og matrisen er hovedsakelig mekanisk bundet til laminert mikrostruktur, som inneholder mange feil parallelle med legemeleddet, som porer og mikrokroker (som vist i figur 2). Grunnene til oppstanden er følgende: under høytemperaturforhold vil keramikken eller metallet smelte for å danne smeltede partikler, og vil inneholde noen miljøgasser, men kjølesnelheten til beklædningen er veldig rask, noe som gjør at gassen som er løst i de smeltede partiklene under avlagningsprosessen ikke kan precipiteres i tide, og deretter danner porer; Samtidig vil utilstrekkelig binding mellom smeltede partikler også føre til at porer og sprukninger danner seg i beklædningen. Derfor, hvis APS brukes til å forberede termobarettbeklædning, har den høy porositet og god termoinsulasjonsevne, men dens ulemper er utilstrekkelig deformasjonstoleranse og dårlig termokokkeevne [43], og det brukes hovedsakelig for deler med relativt godt arbeidsmiljø. I tillegg er APS billig å forberede, så det kan brukes på større deler.

2.1.2 Elektronstråle fysisk dampavsetting

EB-PVD er en teknologi som bruker en høyenergi elektronstråle for å oppvarme dekkingspulveret i et vakuumkammer og danne en smeltet pool på overflaten av pulvert for å dampføre keramisk pulver og avsette det på overflaten av substratet i atomisk tilstand for å danne et varmehindringsdekk (som vist i figur 3). Strukturen på EB-PVD-dekket er en søyjestruktur som står vertikalt på alloy matrisen, og dekket og matrisen er hovedsakelig metallurgisk forbundet. Overflaten er ikke bare glad, men har også god tetthet, så det har høy bindingsstyrke, strekningstolerans og motstandsdyktighet mot termisk sjokk. Det brukes hovedsakelig på deler med hårdt arbeidsmiljø, som gass turbine rotorblader. Imidlertid er forberedelsesomkostningene for EB-PVD-dekk dyre, og kun tynne dekker kan bli laget, og strukturelle størrelser på delene har visse krav, så det brukes sjelden i gass turbiner.

De to ovennevnte forberedelsesprosessene er blitt veldig modne, men de har fortsatt sine egne problemer, som vist i Tabel 2. I nylig tid har relevante forskere fortsett å forbedre og oppfinne nye metoder for å lage termiske barriereoverflater. I dag er blant de vanligst brukte nye metodene for å lage termiske barriereoverflater det fremragende plasma-sprøyting av fysisk dampavsetning (PS-PVD), som anerkjennes som en av de mest lovende og effektive metodene for å lage termiske barriereoverflater.

2.1.3 Plasma-sprøyting av fysisk dampavsetning

PS-PVD-teknologien er utviklet på grunnlag av lavtrykksplassasprøyting. Den dekkestruktur som forberedes ved denne metoden er fjær og søyler, og poriene i dekningen er mange og mellomrommene store, som vist i figur 4. Derfor har PS-PVD-teknologien forbedret problemet med utilstrekkelig varmeisolering av EB-PVD-dekning og dårlig varmetilpasningsmotstand av APS-dekning, og den termiske barrièredekningen forberedt ved PS-PVD-teknologien har høy bindingsstyrke, god varmeisolering og god motstand mot varmetilpasning, men dårlig korrosjonsmotstand og oksidasjonsmotstand mot CMAS. På dette grunnlaget foreslo ZHANG et al. [41] en metode for å modifisere PS-PVD 7YSZ termisk barrieredekning ved Al2O3. Eksperimentelle resultater viser at oksidasjonsmotstanden og CMAS-korrosjonsmotstanden til 7YSZ termisk barrieredekning forberedt ved PS-PVD-teknologien kan økes ved aluminium-modifisering.