Progresul cercetării și tendința de dezvoltare a turbinei gaze grele și a revestirilor lor termobariere (2)

Revărs termic

Contextul de cercetare al revărsurilor termice

De la dezvoltarea cu succes a primului turbină de gaz în 1920, turbinile de gaz au jucat întotdeauna un rol cheie în domeniul producției de energie și propulsie. De asemenea, cu dezvoltarea tehnologiei industriale, nivelul tehnic al turbinelor grele de gaz se îmbunătățește continuu, iar modul de a crește eficiența turbinei grele de gaz devine din ce în ce mai urgent. Frunza a turbinei este una dintre componente importante ale sistemului de combustie al turbinei grele de gaz. Creșterea temperaturii de intrare a turbinei poate să îmbunătățească eficient efectivitatea turbinei grele de gaz. Prin urmare, cercetătorii relevanți pot lucra spre creșterea temperaturii de intrare a turbinei. Pentru a satisface cererea tot mai mare de temperaturi de funcționare ale turbinelor de gaz eficiente viitoare, pe suprafața componentelor calde se presară de obicei revărsuri termice.

În 1953, conceptul de revărs termic a fost propus pentru prima dată de Institutul de Cercetare NASA-Lewis din Statele Unite [13], adică, stratul ceramic este proiectat pe suprafața pieselor care funcționează într-un mediu cu temperaturi ridicate prin tehnologia de proiecție termică, cu scopul de a oferi izolare termică și protecție, a reduce temperatura suprafeței lamelor, a diminua consumul de combustibil al motorului și a prelungi durata de viață a lamei. Revărsul termic este folosit pe scară largă în componentele extremului cald al turbinelor gaze industriale și motoarelor aero, (lame de turbine și camere de combustie etc.) datorită caracteristicilor sale excelente, cum ar fi costul scăzut de pregătire și o bună protecție termică, fiind recunoscut la nivel internațional ca o tehnologie de frontieră în fabricarea turbinelor gaze grele.

Structura sistemului de revărs termic

• Cu progresul și dezvoltarea științei și tehnologiei, temperatura de intrare a turbinelor gaze devine din ce în ce mai mare. Pentru a obține un efect mai bun de izolare termică al revestirii barierei termice, majoritatea studiilor din întreaga lume se concentrează pe proiectarea structurii acestei revestiri, ceea ce arată suficient de clar importanța structurii barierei termice [14]. Conform structurii diferite ale revestirii, aceasta poate fi împărțită în structuri duble, multistratificate și gradient [15].
• Printre ele, revestirea cu barieră termică de două straturi, compusă din strat ceramic și strat de legare, fiind cea mai simplă și mai matură revestire cu barieră termică dintre toate structurile de revestire, a fost amplasată în mod larg în tehnologia de revestiri cu barieră termică. Printre acestea, cea mai folosită revestire cu barieră termică de structură dublă utilizează zirconia stabilizată cu 6 wt.% ~ 8 wt.% itrium (6-8YSZ) drept material pentru stratul ceramic extern, iar aliajul MCrAlY (M=Ni, Co, Ni+Co, etc.) drept material pentru stratul metallic de legare [16]. Cu toate acestea, din cauza incompatibilității dintre coeficientul de extensie termică al stratului ceramic și al stratului metallic de legare, este ușor să apară stres în revestire, ceea ce duce la desprinderea prematură a acesteia.
• Pentru a îmbunătăți performanța stratului de protecție termică, cercetătorii au pregătit un strat de protecție termică cu o structură multi-strat relativ complexă (strat compus), adică, pe baza stratului de protecție termică cu două straturi, s-au adăugat mai multe straturi de izolare și barieră, de obicei cinci straturi. Printre acestea, cele mai studiate straturi de blocare includ în principal Al2O3, NiAl, etc. [17]. FENG și alții [18] au folosit APS pentru a pregăti stratul de protecție termică YSZ și stratul de protecție termică LZ/YSZ (strat dublu ceramic La2Zr2O7 / ZrO2-Y2O3 de protecție termică), și au remeltut suprafața stratului folosind tehnologia de remelting cu laser, urmând să efectueze apoi teste de oxidare la înaltă temperatură la 1 100°C. Rezultatele arată că, comparativ cu stratul de protecție termică YSZ, stratul de protecție termică ceramic dublu LZ/YSZ are o rezistență la oxidare mai bună. Deși performanța stratului de protecție termică multi-strat este mai bună decât cea a stratului de protecție termică cu două straturi, structura și procesul de pregătire sunt mai compleci, iar rezistența la şocuri termice este slabă, prin urmare aplicarea sa practică este limitată. Prin urmare, stratul de protecție termică cu structură gradient apare.
• Structura cu gradient termic a revestirii de barieră termică este caracterizată prin schimbarea continuă a compoziției și structurii cu gradient în direcția Grosimii revestirii, ceea ce duce la o interfață neclară a stratului intermediar. Comparativ cu structurile bifare și multifare, revestirea de barieră termică cu structură gradient nu numai că are o rezistență excepțională la șocul termic, dar arată, de asemenea, o schimbare continuă a performanței cu gradient, astfel că are caracteristici de aliniere a stresului termic și poate fi aplicată într-un mediu cu temperaturi ridicate grele. Tehnologiile principale de proiecție termică ale revestirilor de barieră termică cu gradiente funcționale au fost analizate de domnul..., deși există diferite metode de pregătire, revestirea de barieră termică cu structură gradient este rea în practică din cauza procesului său complex de pregătire, componentelor structurale dificil de controlat și costurilor ridicate.
• În rezumat, revestirea cu barieră termică cu două straturi este folosită pe scară largă și procesul este matur, iar aceasta rămâne încă forma structurii preferate pentru revestirea cu barieră termică. Stratul ceramic și stratul de legare [20] sunt depozitați pe matricea de aliaj prin tehnologia de proiecție termică. În condițiile oxidației la temperaturi ridicate, după oxidație, se formează o strată subțire de oxid crescut la căldură pe suprafața stratului de legare, așa cum este ilustrat în Figura 1. Printre acestea, matricea de aliaj, ca component protejat de revestirea cu barieră termică, poate să joace un rol în suportarea sarcinilor mecanice externe, iar materialul său este în principal un superaliaj bazat pe niciu cu rezistență la temperaturi ridicate și rezistență la oxidație. Rolul stratului de legare este acela de a întări forța de legare între stratul ceramic și matricea de aliaj, grosimea fiind de obicei între 50 ~ 150 µm, iar materialul este de obicei selectat MCrAlY (M=Ni/Co/Ni+Co), care are o diferență mică a coeficientului de extensie termică al matricei de aliaj. Oxidul crescut la căldură (TGO) este în principal o felie subțire de α-Al2O3 formată între stratul ceramic și stratul de legare într-un mediu de oxidație la temperaturi ridicate, cu o grosime de 1 ~ 10 µm, ceea ce are o influență majoră asupra revestirii. Stratul ceramic are funcțiile de izolare termică, rezistență la coroziune și rezistență la impact [21], grosimea fiind de obicei între 100 ~ 400 μm, iar materialul este în principal 6-8YSZ cu o conductivitate termică redusă și un coeficient relativ ridicat de extensie termică [22].

Materiale de revestire cu barieră termică

Temperatura de intrare a lamei de turbină este strâns legată de eficiența sa de lucru. Doar prin creșterea temperaturii de intrare a lamei de turbină poate fi îmbunătățită eficiența de lucru. Cu toate acestea, cu dezvoltarea științei și tehnologiei și a industriei, temperatura de lucru a componentelor din capătul cald al turbinilor gaze grele continue să crească, iar temperatura limită a lamei de turbină bazată pe aliaj nickel este de 1150°C, care nu mai poate funcționa la temperaturi mai ridicate. Prin urmare, este deosebit de urgent să se găsească și să se dezvolte materiale de strat termic cu proprietăți excelente. Printre acestea, din cauza condițiilor de servire defavorabile ale stratului termic, condițiile de selecție ale materialelor pentru stratul termic sunt mult mai riguroase în procesul real. De obicei, materialele stratului ceramic trebuie să aibă o conductivitate termică scăzută și un punct de topire ridicat, să nu fie predispuși să subgăisească transformări de fază în intervalul dintre temperatura ambiantă și temperatura de servire, și să aibă, de asemenea, un coeficient ridicat de extensie termică, rezistență excepțională la şocuri termice, rezistență la prăjire și la coroziune [24]. Materialul stratului de legare trebuie să aibă rezistență la coroziune, rezistență la oxidare, o forță de legare bună și alte proprietăți [25-26].

Material pentru strat ceramic

Condițiile severe de funcționare ale revăruiturii termice limitează selecția materialelor sale. În prezent, materialele de revăruire termică potrivite pentru aplicare practică sunt foarte limitate, fiind în principal materiale YSZ și materiale YSZ dopate cu oxide de teruri rare.

(1) zirconiu stabilizat cu oxid de itrium

În prezent, printre materialele ceramice, ZrO2 se distinge prin punctul său ridicat de topire, conductivitate termică redusă, coeficient ridicat de dilatare termică și o bună rezistență la fractură. Cu toate acestea, ZrO2 pur are trei forme cristaline: faza monoclinică (m), faza cubică (c) și faza tetragonală (t), iar ZrO2 pur este ușor să subibe transformări de fază, ceea ce duce la schimbări de volum, având efecte negative asupra duratei de viață a acoperisului. Prin urmare, ZrO2 este adesea dopat cu stabilizatoare precum Y2O3, CaO, MgO și Sc2O3 pentru a îmbunătăți stabilitatea sa de fază. Printre acestea, 8YSZ are cele mai bune performanțe, având o greutate specifică suficientă (~ 14 GPa), o densitate mică (~ 6,4 Mg·m-3), o conductivitate termică mică (~ 2,3 W·m-1 ·K-1 la 1 000℃), un punct ridicat de topire (~ 2 700℃), un coeficient ridicat de dilatare termică (1,1×10-5 K-1) și alte proprietăți excelente. Prin urmare, ca material al stratului ceramic, este folosit pe scară largă în acoperisuri termice.

(2) Oxide rare ale tereniilor dopate YSZ

Când YSZ funcționează într-un mediu deasupra 1 200 °C pentru o perioadă lungă, de obicei au loc tranziții de fază și sintetizarea. Pe de o parte, faza tetragonala neechilibrată t' se transformă într-un amestec dintre faza cubică c și faza tetragonala t, iar în timpul răcirei, t' se transformă în faza monoclină m, având loc o tranziție de fază continuă cu schimbarea volumului, ceea ce duce la desprinderea rapidă a stratului [27]. Pe de altă parte, sintetizarea reduce porozașitatea stratului, scade performanța termică și toleranța la deformare a stratului, crește dureta și modulul elastic, ceea ce afectează semnificativ performanța și durata de viață a stratului. Prin urmare, YSZ nu poate fi aplicat în generația următoare de turbine gaze grele.

În general, performanța YSZ poate fi îmbunătățită prin schimbarea sau creșterea tipului de stabilizator al zirconiei, cum ar fi metoda de dopare a YSZ cu oxizi de teruri rare [28-30]. S-a constatat că cu cât diferența de rază între ioni Zr și ioni dopați este mai mare, cu atât concentratia de defecțiuni este mai ridicată, ceea ce poate îmbunătăți difuziunea fononilor și să reducă conductivitatea termică [31]. CHEN și colaboratori [32] au folosit APS pentru a pregăti o strat ceramic de barieră termică (LGYYSZ) cu YSZ dopat cu La2O3, Yb2O3 și Gd2O3, și au obținut coeficientul de extensie termică și conductivitatea termică a barei termice prin măsurare și calcul, efectuând un test de ciclu termic la 1 400℃. Rezultatele arată că, în comparație cu revestea YSZ, revestea LGYYSZ are o conductivitate termică mai mică, o viață utilă a ciclului termic mai lungă și o bună stabilitate a fazei la 1 500℃. Li Jia și colaboratori [33] au pregătit praf YSZ dopat cu Gd2O3 și Yb2O3 prin metoda de co-precipitație chimică și au pregătit o revestere YSZ dopată cu Gd2O3 și Yb2O3 prin APS, studiind influența cantităților diferite de dopare cu oxide asupra stabilității fazei revestirii. Rezultatele arată că stabilitatea fazei revestirii YSZ dopate cu Gd2O3 și Yb2O3 este mai bună decât cea a revestirii tradiționale 8YSZ. Faza m este mai puțin prezentă după tratament termic la temperaturi ridicate când cantitatea de dopare este mică, iar faza cubică stabilă se produce când cantitatea de dopare este mare.

Comparativ cu YSZ traditională, noul material ceramic YSZ modificat are o conductivitate termică mai scăzută, ceea ce face ca revestea de barieră termică să aibă o performanță mai bună de izolare termică, oferind o bază importantă pentru cercetarea revestelor de barieră termică de înaltă performanță. Cu toate acestea, performanța comprehensivă a YSZ traditională este bună, este ampliu utilizată și nu poate fi înlocuită de orice YSZ modificat.

Material pentru strat de legare

Stratul de legare este foarte important în revestea de barieră termică. De asemenea, stratul ceramic poate fi legat strâns de matricea de aliaj și se poate reduce stresul intern cauzat de incompatibilitatea coeficientului de extensie termică din revestea. De asemenea, rezistența la coroziune termică și la oxidare a întregului sistem de revestere poate fi îmbunătățită prin formarea unei filme oxide dense la temperaturi ridicate, astfel încât să se prelungesc viața utilă a revestei de barieră termică. În prezent, materialul folosit pentru stratul de legare este de obicei o alianță MCrAlY (M este Ni, Co sau Ni+Co, în funcție de utilizare). Printre acestea, NiCoCrAlY este folosit pe scară largă în turbinele cu gaz greu din cauza proprietăților sale generale bune, cum ar fi rezistența la oxidare și la coroziune. În sistemul MCrAlY, Ni și Co sunt folosiți drept elemente de matrice. Datorită bunei rezistențe la oxidare a lui Ni și bunei rezistențe la obraznic a lui Co, proprietățile generale ale combinației Ni+Co (cum ar fi rezistența la oxidare și la coroziune) sunt bune. Pe de altă parte, Cr este folosit pentru a îmbunătăți rezistența la coroziune a revestirii, Al poate să întărească rezistența la oxidare a revestirii, iar Y poate să îmbunătățească rezistența la coroziune și la şoc termic al revestirii.

Performanța sistemului MCrAlY este excelentă, dar poate fi utilizată doar pentru lucrări la temperaturi sub 1 100℃. Pentru a crește temperatura de servire, fabricanții și cercetătorii au efectuat multe studii legate de modificarea stratului MCrAlY. De exemplu, doparea cu alte elemente aleate, cum ar fi W, Ta, Hf și Zr [34], pentru a îmbunătăți performanța stratului de legare. YU et al. [35] au proiectat un strat izolant termic compus dintr-un strat de legare NiCoCrAlY modificat cu Pt și o strat ceramic nanostructurat cu 4 wt.% zirconă stabilizată cu itrium (4YSZ) pe aliajul superalbinic bazat pe niciel de generația a doua. S-a investigat comportamentul ciclic termic al stratului izolant termic NiCoCrAlY-4YSZ în aer și efectul lui Pt asupra formării și rezistenței la oxidare a TGO la 1 100℃. Rezultatele arată că, comparativ cu Nicocraly-4YSZ, modificarea stratului NiCoCrAlY cu Pt este avantajoasă pentru formarea α-Al2O3 și reducerea vitezei de creștere a lui TGO, ceea ce extinde viața stratului izolant termic. GHADAMI et al. [36] au pregătit un strat compozit NiCoCrAlY nanocompozit prin proiecție cu flacăra supersonică folosind nanoCEO2. Straturile compozite NiCoCrAlY nanocompozit cu 0.5, 1 și 2 wt.% nanoCEO2 au fost comparate cu straturile convenționale NiCoCrAlY. Rezultatele arată că stratul compozit NICocRALy-1 wt.% nano-CEO2 are o mai bună rezistență la oxidare, o greutate specifică mai mare și o poroziitate mai mică decât celelalte straturi convenționale NiCoCrAlY și straturile compozite NiCoCrAlY nanocompozit.

În prezent, în plus față de sistemul MCrAlY care poate fi aplicat ca strat de legare, NiAl este de asemenea un material cheie pentru stratul de legare. NiAl este format în principal din β-NiAl, care formează o peliculă oxidată continuă și densă pe suprafața stratului la temperaturi mai mari de 1200°C, fiind recunoscut drept cel mai promițător material candidat pentru o nouă generație de straturi metalice de legare. Comparativ cu MCrAlY și cu straturile tradiționale de β-NiAl, stratul de β-NiAl modificat cu PT are o rezistență la oxidare și la coroziune mai bună. Cu toate acestea, pelicula oxidată formată la temperaturi ridicate are o aderență slabă, ceea ce va scurta semnificativ viața stratului. Prin urmare, pentru a îmbunătăți performanța NiAl, cercetătorii au efectuat studii de dopare a NiAl-ului. Yang Yingfei et al. [37] au pregătit strat de NiCrAlY, strat de NiAl, strat de NiAl modificat cu PT și strat de NiAl codopat cu Pt+Hf, comparând apoi rezistența la oxidare a acestor patru straturi la 1100°C. Rezultatele finale arată că cea mai bună rezistență la oxidare o prezintă stratul de NiAl codopat cu Pt+Hf. Qiu Lin [38] a pregătit aleaje bloc NiAl cu conținut diferit de Al și aleaje bloc β-NiAl cu conținut diferit de Hf/Zr prin topire sub vid, studiind efectele Al, Hf și Zr asupra rezistenței la oxidare a aleažilor NiAl. Rezultatele au arătat că rezistența la oxidare a aleažului NiAl crește cu creșterea conținutului de Al, iar adăugarea de Hf/Zr în aleažul β-NiAl este benefică pentru îmbunătățirea rezistenței la oxidare, cu cantitățile optime de dopare fiind de 0,1 at.% respectiv 0,3 at.%. LI et al. [39] au pregătit un nou strat β-(Ni, Pt) Al modificat cu teruri rare pe o superalieză bazată pe Ni2Al bogată în molibden prin tehnologia de electrodepunere și aluminizare cu activitate redusă, comparând stratul β-(Ni, Pt) Al modificat cu teruri rare cu stratul tradițional β-(Ni, Pt) Al. Comportamentul oxidării izotermice al stratului Pt) Al la 1100°C. Rezultatele arată că elementele de teruri rare pot îmbunătăți rezistența la oxidare a stratului.

În concluzie, revărsările MCrAlY și NiAl au propriile lor avantaje și dezavantaje, prin urmare cercetătorii ar trebui să continue să persiste în cercetarea de modificare pe baza acestor două materiale de revărsare, căutând dezvoltarea de noi materiale pentru stratul de legare metallic, astfel încât temperatura de funcționare a revărsării izolante termice pentru turbinele de gaz greu să poată fi mai ridicată.