Forskningsframgang og utviklingsrettning av tunge gassøyler og deres varmebarrieredyrker (4)

Nøkkelenegenskaper ved varmeforskytingsbehandling for gasturbine

Fordi arbeidet med faste tungstyrkede gass-turbiner vanligvis foregår i en kompleks miljø, og vedlikeholdsperioden er lang, kan den være så høy som 50,000 timer. Derfor, for å forbedre varmebarrierelakkeringsteknologien til gasturbiner og utvide tjenestelivet til varmebarrierebeklæringen, har forskere i nylig tid utført mye forskning på de nøkkelenegenskapene til varmebarrierelakkeringer, som varmeisolering, oksidasjonmotstand, varmepåvirkningsmotstand og CMAS-korrosjonsmotstand. Blant disse, er forskning og fremdrift innen varmeisolering, oksidasjonmotstand og varmepåvirkningsmotstand av varmebarrierelakkeringer relativt godt dokumentert, men motstanden mot CMAS-korrosjon er relativt sparsom. Samtidig har CMAS-korrosjon blitt en viktig feilmodus for varmebarrierelakkeringer, noe som hindrer utviklingen av neste generasjon av høy ytelseskyddede gasturbiner. Derfor vil denne seksjonen først gi en kort introduksjon til varmeisolering, oksidasjonmotstand og varmepåvirkningsmotstand av varmebarrierelakkeringer, og deretter fokusere på forskningsfremdriften på mekanismen bak CMAS-korrosjon og beskyttelsesteknologi for varmebarrierelakkeringer i Avsnitt 4.

Varmeisoleringsegenskap

Med utviklingen av industrien har høy ytelsesførende gass turbine stilt høyere krav til turbins inngangstemperatur. Derfor er det veldig viktig å forbedre varmeisoleringen av termisk barrierebehandling. Varmeisoleringen av termisk barrierebehandling er relatert til materialet, strukturen og fremgangsmåten for behandlingen. I tillegg vil driftsmiljøet for termisk barrierebehandling også påvirke dets varmeisoleringsevne.

Termisk ledningstapethet brukes vanligvis som vurderingsindeks for termisk isolasjonsevne hos varmeskjermer. Liu Yankuan og andre [48] forberedde et 2 mol.% Eu3+ dopet YSZ-dekning ved hjelp av APS, og sammenlignet med YSZ-dekningen, viste resultater at termisk ledningstapethet for 2 mol.% Eu3+ dopet YSZ-dekning var lavere, det vil si at termisk isolasjonen av 2 mol.% Eu3+ dopet YSZ-dekning var bedre. Det er funnet at romlige og geometriske egenskaper til porer i dekningen har stor innflytelse på termisk ledningstapethet [49]. SUN og andre [50] gjorde en sammenlignende studie av termisk ledningstapethet og elastisk modul for varmeskjermedekninger med ulike porestrukturer. Resultatene viser at termisk ledningstapethet og elastisk modul for varmeskjermedekningen synker med nedgangen i poresize, og jo høyere porositet, jo lavere termisk ledningstapethet. En stor mengde forskning har vist at sammenlignet med EB-PVD-dekning, har APS-dekning bedre termisk isolasjon, fordi APS-dekning har høyere porositet og lavere termisk ledningstapethet [51]. RATZER-SCHEIBE og andre [52] studerte effekten av deknings tykkelsen av EB-PVD PYSZ på termisk ledningstapethet, og resultatene viste at deknings tykkelsen av EB-PVD PYSZ hadde stor innflytelse på dens termiske egenskaper, det vil si at deknings tykkelsen var også en av de viktige faktorene som påvirker termisk isolasjonsevne for varmeskjermedekningen. Forskningsresultatene fra Gong Kaisheng og andre [53] viser også at i tykkelsesområdet for praktisk dekningsanvendelse, er dekningens termiske isolasjonsprestanda proporsjonalt med dets tykkelse og temperaturforskjell i miljøet. Selv om termisk isolasjonsevne for varmeskjermedekningen vil øke med økende tykkelse, når deknings tykkelsen fortsetter å øke til en bestemt verdi, kan det lett føre til spenningskonsentrasjon i dekningen, noe som fører til tidlig feil. Derfor, for å forbedre termisk isolasjonsevne for dekningen og forlenge dens tjenesteliv, bør deknings tykkelsen reguleres på en rimelig måte.

Oksidasjonsmotstand

Under høytemperaturoksidasjon vil en lag av TGO lett dannes i termisk barrierelakk. Virkningen av TGO på termisk barrierelakk [54] har to sider: På den ene siden kan det dannede TGO forhindre at oksygen fortsetter å diffundere innvendig og redusere den eksterne påvirkningen på oksidasjonen av alloyermatrisen. På den andre siden, med den kontinuerlige tykkning av TGO, pga. dens stor elastisk modul og den store forskjellen mellom dens termisk utvidelseskoeffisient og limlaget, er det også relativt enkelt å opprettholde stor spenning under kjøling, noe som kan føre til at lakkfaller av raskt. Derfor er det nødvendig å forbedre oksidasjonsmotstanden til lakk for å forlenge levetiden til termisk barrierelakk.

XIE og andre [55] studerte dannelsen og veksten av TGO, som hovedsakelig ble delt inn i to faser: først et tett α -Al2O3-film ble dannet på leget laget, og deretter ble et porøst blandet oksid dannet mellom keramikklaget og α -Al2O3. Resultatene viser at det hovedsaklige stoffet som forårsaker sprakk i varmebarrierelaget er det porøse blandede oksidet i TGO, ikke α -Al2O3. LIU et al. [56] foreslo en forbedret metode for å simulere vekstfarten av TGO gjennom numerisk analyse av spenninger i to faser, for å nøyaktig forutsi livstiden til varmestringskoveringer. Derfor kan tykkelsen av TGO effektivt kontrolleres ved å kontrollere veksten av porøse skadelige blandede oksider, for å unngå forhåndsfeil i varmestringskoveringene. Resultatene viser at veksten av TGO kan utsettes ved bruk av dobbelt keramisk varmestringskovering, avlaging av en beskyttende lag på overflaten av koveringen og forbedring av tettheten til koveringsoverflaten, og oxidasjonstoleransen til koveringen kan forbedres i viselig grad. AN et al. [57] brukte APS-teknologien for å lage to typer varmestringskoveringer: Formingen og veksten av TGO ble studert ved isoterme oxidasjonstester på 1 100 ℃ . Den første er YAG/YSZ dobbelt keramisk barrierebelegg (DCL TBC) og den andre er YSZ enkelt keramisk barrierebelegg (SCL TBC). Forskningsresultatene viser at dannelsen og vekstprosessen av TGO følger lovene for termodinamikk, som vist i figur 5: Ifølge formel (1) ~ (8), dannes Al2O3 først, og deretter oksideres Y-ion til å danne et ekstremt tynt lag av Y2O3 på overflaten av Al2O3 TGO, og de to reagerer med hverandre for å danne Y3Al5O12. Når Al-ion reduseres til en bestemt verdi, oksideres andre metalelementer i bindelselaget før og etter for å danne blandede oksider (Cr2O3, CoO, NiO og spineloksidere, osv.), først ved å danne Cr2O3, CoO, NiO, og deretter reagere med (Ni, Co) O og Al2O3 for å danne (Ni, Co) Al2O4. (Ni, Co) O reagerer med Cr2O3 for å danne (Ni, Co) Al2O4. I sammenligning med SCL TBC, er dannelsen og vekstfarten av TGO i DCL TBC langsommere, så det har bedre høytemperaturantioxidante egenskaper. Xu Shiming og andre [58] brukte magnetronsputtering til å avlede et film på overflaten av 7YSZ-belegget. Etter varmebehandling, α -Al2O3-laget ble generert ved in-situ-reaksjon. Studien viste at α -Al2O3-laget som ble dannet på overflaten av dekningen kunne forbedre oksidasjonsmotstanden til dekningen ved å forhindre oksygeniondiffusjon. FENG og kollegene [59] viste at laseromforming av APS YSZ-dekningsoverflaten kan forbedre oksidasjonsmotstanden til dekningen, hovedsakelig fordi laseromforming kan forbedre densifiseringen av dekningen, dermed forsinke veksten av TGO.

Termisk sjokkmotstand

Når de varme sluttkomponentene i tunge gassøyler er i drift i et høytemperatursmiljø, lider de ofte skade av termisk sjokk forårsaket av rask temperaturendring. Derfor kan de legeringsdelenes livstid forbedres ved å forbedre termisk sjokkmotstand i termisk barrierekovering. Termisk sjokkmotstanden til termisk barrierekoveringen testes vanligvis ved hjelp av termiske syklustester (termisk sjokk), først holdt ved høy temperatur i en vis tid, og deretter fjernet for luft/vannkjøling, som utgjør en termisk sykkel. Termisk sjokkmotstanden til termisk barrierekoveringen vurderes ved å sammenligne antall termiske sykler som dekket har opplevd når det feiler. Studier har vist at termisk sjokkmotstanden til gradientstrukturert termisk barrierekovering er bedre, hovedsakelig fordi tykkelsen på gradientstrukturert termisk barrierekovering er liten, noe som kan forsinke termisk spenningsutvikling i dekket [60]. ZHANG og andre [61] utførte termiske syklustester ved 1 000 ℃ på de tre former av plett, stripe og rutenett termiske barriereoverflater oppnådd ved laseromforming av NiCrAlY / 7YSZ termisk barriereoverflate, og studerte termisk sjokkmotstand for sprede prøver og tre prøver med forskjellige former etter laserbehandling. Resultatene viser at prikkprøven har den beste termiske sjokkmotstanden og at termisk sylkelevetiden er dobbelt så lang som for sprøytemprøven. Imidlertid er termisk sjokkmotstanden til streifene og ruteproven verre enn for sprøyteprøvene, som vist i figur 6. I tillegg har en stor mengde forskning vist at noen nye overflatedekningsmaterialer har god termisk sjokkmotstand, som SrAl12O19 [62] foreslått av ZHOU et al., LaMgAl11O19 [63] foreslått av LIU et al., og Sm2 (Zr0.7Ce0.3) 2O7 [64] foreslått av HUO et al. Derfor, for å forbedre termisk sjokkmotstanden til termiske barriereoverflater, kan det i tillegg til strukturell design og optimalisering av dekningen være mulig å finne og utvikle nye materialer med god termisk sjokkmotstand.