Progresso da pesquisa e tendências de desenvolvimento de turbinas a gás pesadas e seus revestimentos de barreira térmica (4)

Principais propriedades da cobertura térmica da turbina a gás

Devido ao fato de que o trabalho de turbinas a gás pesadas em solo geralmente ocorre em um ambiente complexo e o ciclo de manutenção é longo, podendo chegar a 50.000 horas, é necessário melhorar a tecnologia de revestimento térmico da turbina a gás para prolongar a vida útil do revestimento térmico. Nos últimos anos, os pesquisadores realizaram muitos estudos sobre as propriedades-chave dos revestimentos térmicos, como isolamento térmico, resistência à oxidação, resistência a choques térmicos e resistência à corrosão por CMAS. Entre elas, as pesquisas sobre isolamento térmico, resistência à oxidação e resistência a choques térmicos estão relativamente bem documentadas, mas a resistência à corrosão por CMAS ainda é escassa. Ao mesmo tempo, a corrosão por CMAS tornou-se um modo de falha importante dos revestimentos térmicos, impedindo o desenvolvimento da próxima geração de turbinas a gás de alto desempenho. Portanto, esta seção primeiro introduz brevemente o isolamento térmico, resistência à oxidação e resistência a choques térmicos dos revestimentos térmicos, e depois se concentra nos avanços na pesquisa do mecanismo de corrosão por CMAS e nas tecnologias de proteção dos revestimentos térmicos na Seção 4.

Propriedade de isolamento térmico

Com o desenvolvimento da indústria, turbinas a gás de alta performance têm proposto requisitos mais elevados para a temperatura de entrada da turbina. Portanto, é muito importante melhorar o isolamento térmico do revestimento de barreira térmica. O isolamento térmico do revestimento de barreira térmica está relacionado ao material, estrutura e processo de fabricação do revestimento. Além disso, o ambiente de serviço do revestimento de barreira térmica também afetará seu desempenho de isolamento térmico.

A condutividade térmica é geralmente usada como índice de avaliação para o desempenho de isolamento térmico de revestimentos de barreira térmica. Liu Yankuan et al. [48] prepararam um revestimento de ZSY dopado com 2 mol.% de Eu3+ usando APS e, ao comparar com o revestimento de ZSY, os resultados mostraram que a condutividade térmica do revestimento de ZSY dopado com 2 mol.% de Eu3+ era menor, ou seja, o isolamento térmico do revestimento de ZSY dopado com 2 mol.% de Eu3+ era melhor. Foi encontrado que as características espaciais e geométricas dos poros no revestimento têm grande influência na condutividade térmica [49]. SUN et al. [50] realizaram um estudo comparativo sobre a condutividade térmica e módulo elástico de revestimentos de barreira térmica com diferentes estruturas porosas. Os resultados mostram que a condutividade térmica e o módulo elástico do revestimento de barreira térmica diminuem com a redução do tamanho dos poros, e quanto maior for a porosidade, menor será a condutividade térmica. Vários estudos mostraram que, em comparação com o revestimento EB-PVD, o revestimento APS tem melhor isolamento térmico, pois o revestimento APS possui maior porosidade e menor condutividade térmica [51]. RATZER-SCHEIBE et al. [52] estudaram o efeito da espessura do revestimento de PYSZ EB-PVD na condutividade térmica, e os resultados mostraram que a espessura do revestimento de PYSZ EB-PVD afetava muito sua condutividade térmica, ou seja, a espessura do revestimento também era um dos fatores importantes que afetavam o desempenho de isolamento térmico do revestimento de barreira térmica. Os resultados de pesquisa de Gong Kaisheng et al. [53] também mostram que, no intervalo de espessura do revestimento aplicado na prática, o desempenho de isolamento térmico do revestimento é proporcional à sua espessura e à diferença de temperatura ambiental. Embora o desempenho de isolamento térmico do revestimento de barreira térmica seja aprimorado com o aumento da espessura, quando a espessura do revestimento continua a aumentar até um certo valor, é fácil causar concentração de tensão no revestimento, resultando em falha prematura. Portanto, para melhorar o desempenho de isolamento térmico do revestimento e prolongar sua vida útil, a espessura do revestimento deve ser regulada de forma razoável.

Resistência à Oxidação

Sob a condição de oxidação em alta temperatura, uma camada de TGO é facilmente formada no revestimento de barreira térmica. A influência do TGO no revestimento de barreira térmica [54] tem dois lados: Por um lado, o TGO formado pode impedir que o oxigênio continue a difundir para dentro e reduzir a influência externa na oxidação da matriz de liga. Por outro lado, com o espessamento contínuo do TGO, devido ao seu grande módulo elástico e à grande diferença entre seu coeficiente de expansão térmica e o da camada adesiva, também é relativamente fácil gerar grande tensão durante o processo de resfriamento, o que fará com que o revestimento se desprendesse rapidamente. Portanto, para prolongar a vida útil do revestimento de barreira térmica, é urgente melhorar a resistência à oxidação do revestimento.

XIE et al. [55] estudaram a formação e o comportamento de crescimento do TGO, que foi dividido principalmente em duas fases: primeiro, um densamente α -O filme de Al2O3 foi formado na camada de junção, e então um óxido misto poroso foi formado entre a camada cerâmica e α -Al2O3. Os resultados mostram que a substância principal causando rachaduras na cobertura de barreira térmica é o óxido misto poroso no TGO, não α -Al2O3. LIU et al. [56] propuseram um método aprimorado para simular a taxa de crescimento do TGO por meio de análise numérica da evolução do estresse em duas etapas, a fim de prever com precisão a vida útil dos revestimentos térmicos de barreira. Portanto, a espessura do TGO pode ser controlada eficazmente controlando a taxa de crescimento de óxidos mistos porosos prejudiciais, a fim de evitar falhas prematuras nos revestimentos térmicos de barreira. Os resultados mostram que o crescimento do TGO pode ser retardado usando revestimentos térmicos de cerâmica dupla, deposição de uma camada protetora na superfície do revestimento e melhorando a densidade da superfície do revestimento, e a resistência à oxidação do revestimento pode ser melhorada até certo ponto. AN et al. [57] utilizaram tecnologia APS para preparar dois tipos de revestimentos térmicos de barreira: O comportamento de formação e crescimento do TGO foi estudado por testes de oxidação isotérmica a 1 100 ℃ . O primeiro é o revestimento duplo de cerâmica de barreira YAG/YSZ (DCL TBC) e o segundo é o revestimento único de cerâmica de barreira YSZ (SCL TBC). Os resultados da pesquisa mostram que o processo de formação e crescimento do TGO segue as leis da termodinâmica, como mostrado na Figura 5: De acordo com as fórmulas (1) ~ (8), forma-se Al2O3 inicialmente, e então a oxidação do íon Y forma uma camada extremamente fina de Y2O3 na superfície do TGO de Al2O3, e os dois reagem entre si para formar Y3Al5O12. Quando o íon Al é reduzido a um certo valor, outros elementos metálicos no revestimento de ligação oxidados antes e depois formam óxidos mistos (Cr2O3, CoO, NiO e óxidos spinel, etc.), formando primeiro Cr2O3, CoO, NiO, e então reagindo com (Ni, Co) O e Al2O3 para formar (Ni, Co) Al2O4. (Ni, Co) O reage com Cr2O3 para formar (Ni, Co) Al2O4. Em comparação com o SCL TBC, a taxa de formação e crescimento do TGO no DCL TBC é mais lenta, portanto, ele possui melhores propriedades antioxidantes a altas temperaturas. Xu Shiming et al. [58] utilizaram magnetron sputtering para depositar um filme na superfície do revestimento de 7YSZ. Após o tratamento térmico, α -A camada de Al2O3 foi gerada por reação in-situ. O estudo mostrou que a α -Camada de Al2O3 formada na superfície do revestimento pode melhorar a resistência à oxidação do revestimento, impedindo a difusão de íons de oxigênio. FENG et al. [59] mostraram que o remeltido a laser da superfície do revestimento APS YSZ pode melhorar a resistência à oxidação do revestimento, principalmente porque o remeltido a laser pode melhorar a densificação do revestimento, assim retardando o crescimento do TGO.

Resistência a choques térmicos

Quando os componentes da extremidade quente de turbinas a gás pesadas estão em operação em um ambiente de alta temperatura, eles frequentemente sofrem choques térmicos causados por mudanças rápidas de temperatura. Portanto, as peças de liga podem ser protegidas melhorando a resistência ao choque térmico do revestimento de barreira térmica. A resistência ao choque térmico do revestimento de barreira térmica geralmente é testada por meio de um teste de ciclagem térmica (choque térmico), mantido inicialmente em alta temperatura por um período de tempo e, em seguida, removido para resfriamento com ar/água, o que constitui um ciclo térmico. A resistência ao choque térmico do revestimento de barreira térmica é avaliada comparando o número de ciclos térmicos pelos quais o revestimento passou quando falha. Estudos mostraram que a resistência ao choque térmico de revestimentos de barreira térmica com estrutura gradiente é melhor, principalmente porque a espessura do revestimento de barreira térmica com estrutura gradiente é pequena, o que pode retardar o estresse térmico no revestimento [60]. ZHANG et al. [61] realizaram testes de ciclagem térmica a 1 000 ℃ sobre as três formas de revestimentos térmicos de barreira em pontos, traços e grades obtidos pelo rederretimento a laser do revestimento térmico de barreira NiCrAlY / 7YSZ, e estudou a resistência ao choque térmico das peças espirradas e das três amostras com diferentes formatos após o tratamento a laser. Os resultados mostram que a amostra de ponto possui a melhor resistência ao choque térmico e a vida útil do ciclo térmico é duas vezes maior que a da amostra espirrada. No entanto, a resistência ao choque térmico das amostras em faixa e grade é pior do que a das amostras espirradas, como mostrado na Figura 6. Além disso, muitos estudos mostraram que alguns novos materiais de revestimento possuem boa resistência ao choque térmico, como SrAl12O19 [62] proposto por ZHOU et al., LaMgAl11O19 [63] proposto por LIU et al., e Sm2 (Zr0.7Ce0.3) 2O7 [64] proposto por HUO et al. Portanto, para melhorar a resistência ao choque térmico do revestimento térmico de barreira, além do design e otimização estrutural do revestimento, é possível encontrar e desenvolver novos materiais com boa resistência ao choque térmico.