Výskumný pokrok a vývojový trend ťažkých plynových turbín a ich tepelných bariérnych nátierov (2)

Termálna izolačná prevlada

Výskumné pozadie termálnych izolačných prevladov

Od úspešného vývoja prvého plynového turbíny v roku 1920 plynová turbína stále hrá dôležitú úlohu v oblasti výroby elektriny a prenosu. navyše, s rozvojom priemyselných technológií sa technická úroveň ťažkých plynových turbín neustále zvyšuje a spôsob, ako zvýšiť efektivitu ťažkých plynových turbín, sa stáva čoraz nalaliečejšou. Turbínová lopať je jednou z dôležitých komponentov systému spaľovania ťažkej plynovej turbíny. Zvýšenie teploty vstupu do turbíny môže efektívne zvýšiť efektivitu ťažkej plynovej turbíny. Preto môžu príslušní výskumníci pracovať na zvýšení teploty vstupu do turbíny. Aby sa splnil rastúci požiadavky na prevádzkovú teplotu budúcich efektívnych plynových turbín, na povrch horkých komponentov sa bežne nanášajú termálne izolačné prevlady.

V roku 1953 bol početný koncept tepelného bariérového nátieru popri prvýkrát navrhnutý inštitútom NASA-Lewis Research Institute v USA [13], čo znamená, že keramický nátier je nanášaný na povrch komponentov pracujúcich v vysoko teplom prostredí pomocou technológie tepelného nátierania, aby poskytol izoláciu a ochranu, znížil teplotu povrchu lopatky, znížil spotrebu paliva motoru a predĺžil životnosť lopatky. Tepelný bariérový nátier sa kvôli svojim vynikajúcim vlastnostiam, ako sú nízke náklady na prípravu a dobrá tepelná izolačná ochrana, široko uplatňuje v horkých častiach priemyselných plyných turbín a lietadlových motora (turbínové lopatky a spalovacie komory atď.) a je medzinárodné uznávaný ako vedúca technológia na výrobu ťažkých plynových turbín.

Systémová štruktúra tepelného bariérového nátieru

• S postupom a rozvojom vedy a technológie sa teplota prítoku plynových turbín stáva čoraz vyššou. Pre dosiahnutie lepšieho tepelného izolačného účinku teplovej bariéry sa väčšina štúdií na svete sústreďuje na navrhovanie štruktúry tepelnej bariéry, čo dostatočne ukazuje dôležitosť štruktúry tepelnej bariéry [14]. Podľa rôznych štruktúr nátierku môže byť rozdelený na dvojitú vrstvu, viacvrstvový a gradientný nátierok [15].
• Medzi nimi, dvojvrstvová tepelná bariéra sústava, ktorá sa skladá z keramickej vrstvy a spojovej vrstvy, ako najjednoduchšia a dozrelá tepelná bariéra medzi všetkými obalovými štruktúrami, je široko uplatňovaná v technológiách tepelnej bariéry. Najpoužívanejšou dvojvrstvovou štrukturou tepelnej bariéry je ta, ktorá používa 6 wt.% ~ 8 wt.% yttriov stabilizovaný cirkon (6-8YSZ) ako materiál vonkajšej keramickej vrstvy, a MCrAlY (M=Ni, Co, Ni+Co atď.) kovová aliancia ako materiál kovovej spojovej vrstvy [16]. Avšak kvôli nerovnosti teplového rozšírenia medzi keramickou vrstvou a kovovou spojovou vrstvou môže dôjsť k vytvoreniu stresu v obale a čoskoro sa odštúpi obal.
• Aby sa zlepšil výkon teplovej bariéry, výskumníci pripravili viacslovnú štruktúru teplovej bariéry s relatívne komplexnejšou štruktúrou (kompozitná nátiera). Teda, na základe dvojslovného usporiadania teplovej bariéry bolo pridaných niekoľko izolačných a barietnych vrstiev, obvykle pät vrstiev. Medzi najviac študovanémi blokujúcimi vrstvami patrí hlavne Al2O3, NiAl atď. [17]. FENG a spol. [18] použili APS na prípravu tepovej bariéry YSZ a LZ/YSZ (La2Zr2O7 / ZrO2-Y2O3 dvojitá keramická vrstva tepovej bariéry) a následne použili laserovú znovaťapenie na znovupлавeň povrchu nátierky, potom bolo vykonané testovanie vysokoteplotnej oxidácie pri 1 100℃. Výsledky ukazujú, že v porovnaní s teplovou bariérou YSZ má LZ/YSZ dvojitá keramická teplová bariéra lepšiu odolnosť proti oxidácii. Hoci je výkon viacslovných teplových bariér lepší než dvojslovné teplové bariéry, ich štruktúra a prípravný proces sú komplexnejšie a ich odolnosť proti teplovým šokom je slabšia, preto je ich praktické použitie obmedzené. Preto vznikla teplová bariéra so stупnicovou štruktúrou.
• Gradientná štruktúra teplovej izolačnej prevky je charakterizovaná spojitou gradientnou zmenou sústavy a štruktúry v smere hrúbky prevky, čo spôsobuje nejasnosť rozhrania medzi vrstvami. V porovnaní s dvojvrstvovými a viacvrstvovými štruktúrami má gradientná štruktúra teplovej izolačnej prevky navyše vynikajúcu odolnosť proti tepelnému šoku a ukazuje spojitú gradientnú zmenu vlastností, takže má charakteristiky uvoľňovania tepelnej strese a môže byť použitá v náročnom vysoko-teplotnom prostredí. Pán prehodnotil hlavné technológie funkčne gradovaných teplových izolačných previek. Ibaže napriek rôznym prípravným metódам, je gradientná štruktúra teplovej izolačnej prevky v praktickom využití zlá kvôli komplikovanej príprave, ťažkej kontrole štrukturálnych komponentov a vysokým nákladom.
• Stručne řeknu, dvojvrstvová tepelná bariéra je široce používaná a proces je zralý, stále však zostáva predvolenou štruktúrou teplovej bariéry. Keramická vrstva a spojovacia vrstva [20] sú nanášané na aliancovú maticu pomocou technológie tepelnej spreje. V podmienkach vysokoteplotnej oxidácie sa po oxidácii na povrchu spojovacej vrstvy tvorí tenká vrstva teplového rastu oxidu, ako je znázornené na obrázku 1. Medzi nimi je aliancová matice ako komponent chránený teplovou bariérou schopná vykonávať funkciu prenášania vonkajších mechanických záťaží, jej materiálom je hlavne niklová superaliancia odolná vysokým teplám a oxidácii. Úlohou spojovacej vrstvy je posilniť väzbu medzi keramickou vrstvou a aliancovou maticou, hrúbka je obvykle 50 ~ 150 µm a materiálom je obvykle MCrAlY (M=Ni/Co/Ni+Co), ktorý má malú rozdiel v koeficientoch tepelnej expanzie aliancovej matice. Teplová rastúca oxid (TGO) je hlavne druh α-Al2O3 tenkej plienky, ktorá sa tvorí medzi keramickou vrstvou a spojovacou vrstvou v prostredí vysokoteplotnej oxidácie, s hrúbkou 1 ~ 10 µm, čo má veľký vplyv na nátier. Keramická vrstva má funkcie teplovej izolácie, odolnosti proti korozi a odolnosti proti dopadom [21], hrúbka je obvykle 100 ~ 400 μm a materiálom je hlavne 6-8YSZ s nízkou tepelnou vodivosťou a relatívne vysokým koeficientom tepelnej expanzie [22].

Materiály termickej bariérovej nátierky

Vstupná teplota turbínového lopatky je úzko prepojená s jejich pracovnou účinnosťou. Pracovná účinnosť môže byť zvýšená len tým, že sa zvýši vstupná teplota turbínovej lopatky. Však s rozvojom vedy a techniky aj priemyslu stále narastá pracovná teplota horkých častí ťažkých plynúcnych turbín, pričom limitná teplota niklových spojových lopatiek je 1150°C, čo už neumožňuje ich používanie na vyššie teploty. Preto je mimoriadne naléhavé nájsť a vyvinúť materiály termovychladzujúcich prevlúčok so vynikajúcimi vlastnosťami. Medzi nimi, kvôli veľmi nepriaznivým podmienkam pripravenia termovychladzujúcich prevlúčok, sú požiadavky na výber materiálov termovychladzujúcich prevlúčok v skutočnom procese prísnejšie. Materiály keramických vrstiev sa obvykle vyžadujú mať nízku tepelnú vodivosť a vysoký bod tavenia, a nemusia dôjsť k fázovým transformáciám v rozsahu od miestnej teploty po teplotu pripravenia, a tiež potrebujú vysoký koeficient tepelnej expanzie, vynikajúcu odolnosť voči tepelnému šoku, odolnosť voči späleniu a korózii [24]. Na materiál väzobnej vrstvy sa vyžadujú vlastnosti ako odolnosť voči korózii, odolnosť voči oxidácii, dobrá väzobná pevnosť a iné vlastnosti [25-26].

Materiál keramického vrstvy

Náročné pracovné podmienky tepelného izolačného obloženia obmedzujú výber jeho materiálov. Momentálne sú materiály tepelného izolačného obloženia vhodné pre praktickú aplikáciu veľmi obmedzené, hlavne YSZ materiály a materiály YSZ dopantované redom zemnými oxidmi.

(1) zirkónia stabilizovaná yttriem

Momentálne, medzi keramické materiály vystupuje ZrO2 svojou vysokou teplotou tavenia, nízkou tepelnou vodivosťou, vysokým koeficientom tepelnej rozšírenosti a dobrým odolstvom proti zlomu. Však čistý ZrO2 má tri krystalické tvary: monoklinnú (m) fázu, kubickú (c) fázu a tetragonálnu (t) fázu, a čistý ZrO2 je predmetom fázových transformácií, ktoré spôsobujú zmenu objemu, čo má nepríznivý vplyv na životnosť nátieru. Preto sa ZrO2 často dolepňuje stabilizátorami ako sú Y2O3, CaO, MgO a Sc2O3 na zlepšenie jeho fázovej stability. Medzi nimi má 8YSZ najlepšie vlastnosti, má dostatočnú tvrdosť (~ 14 GPa), nízku hmotnosť (~ 6,4 Mg·m-3), nízku tepelnú vodivosť (~ 2,3 W·m-1 ·K-1 pri 1 000℃), vysokú teplotu tavenia (~ 2 700℃), vysoký koeficient tepelnej rozšírenosti (1,1×10-5 K-1) a ďalšie vynikajúce vlastnosti. Preto sa ako keramický materiál používa široko v teplových bariérnych nátieroch.

(2) Redkозemelе oxidy doped YSZ

Keď YSZ pracuje v prostredí vyššie ako 1 200 °C počas dlhšieho času, obvykle nastupujú fázové prechody a suľovanie. Napríklad, neuskutočnená tetragonálna fáza t' sa transformuje na zmes kubovej fázy c a tetragonálnej fázy t, a po ochlazení sa t' transformuje na monoklinickú fázu m, pričom fázový prechod prebieha spojitý s zmenou objemu, čo spôsobuje rýchle odlúpiavanie nátieru [27]. Zároveň suľovanie zníži porozitosť nátieru, čo zníži jeho tepelnú izoláciu a odolnosť proti deformácii, a zvýši tvrdosť a pružný modulus, čo veľmi ovplyvňuje vlastnosti a životnosť nátieru. Preto nemôže YSZ byť použitý v ďalšej generácii ťažkých plynových turbín.

Všeobecne môžeme povedať, že výkon YSZ sa dá zlepšiť zmierením alebo zvýšením typu stabilizátora cirkoniu, napríklad metódou dojenia YSZ redom zemnými oxidmi [28-30]. Bolo nájdené, že čím väčšia je rozdiel v polomeri medzi Zr iontami a dojenými iontami, tým vyššia je koncentrácia defektov, čo môže zlepšiť fonónovú odrazbu a znížiť tepelnú vodivosť [31]. CHEN a spol. [32] použili APS na prípravu keramického vrstvy izolačnej bariéry (LGYYSZ) s La2O3, Yb2O3 a Gd2O3 spoločne dojeným YSZ a získali teplový rozšírenie koeficient a tepelnú vodivosť izolačnej bariéry cez meranie a výpočet, a uskutočnili tepelný cyklový test pri 1 400℃. Výsledky ukazujú, že v porovnaní s YSZ revetmentom má LGYYSZ revetment nižšiu tepelnú vodivosť, dlhšiu tepelnú životnosť cyklu a dobrú fázovú stabilitu pri 1 500℃. Li Jia a spol. [33] pripravili Gd2O3 a Yb2O3 spoločne dojený YSZ prášok metódou chemického spoločného vykrystaloňovania a prípravu Gd2O3 a Yb2O3 spoločne dojeného YSZ revetmentu pomocou APS a študovali vplyv rôznych množstiev oxidového dojenia na stabilitu fázy revetmentu. Výsledky ukazujú, že fázova stabilita Gd2O3 a Yb2O3 spoločne dojeného YSZ revetmentu je lepšia ako u tradičného 8YSZ revetmentu. Po teplom spracovaní pri vysokých teplotách sa objavuje menej fázy m pri nízkej úrovni dojenia, a vytvorí sa stabilná kubická fáza pri vysokých úrovniach dojenia.

V porovnaní s tradičným YSZ má nová úpravná YSZ keramická látka nižšiu tepelnú vodivosť, čo umožňuje lepšie tepelné izolačné vlastnosti izolačnej vrstvy a poskytuje dôležitú základňu pre výskum vysokoefektívnych tepelných izolačných revetiek. Avšak tradičné YSZ má dobré kompletné vlastnosti, je široko používané a žiadna úpravná YSZ ho nemôže nahraziť.

Materiál prichytávacej vrstvy

Väzobná vrstva je veľmi dôležitá v tepelnej izolačnej oblohe. Okrem toho môže byť keramická vrstva pevne spojená s alejovou maticou, čo sníži vnútorné napätie spôsobené nesúladom koeficientu tepelnej úpravy v oblohe. Okrem toho môžeme zlepšiť tepelnú odolnosť pred oxidáciou a oxidovačnú odolnosť celého systému oblohy tým, že sa vytvorí hustá oxidná pliena pri vysokých teplotách, čím sa predlží životnosť tepelnej izolačnej oblohy. Momentálne sa ako materiál pre väzobnú vrstvu bežne používa MCrAlY alej (M je Ni, Co alebo Ni+Co, podľa použitia). Medzi nimi sa NiCoCrAlY široko uplatňuje v ťažkých plynových turbínach kvôli svojim dobrým celkovým vlastnostiam, ako sú odolnosť pred oxidáciou a koroziou. V systéme MCrAlY sa Ni a Co používajú ako maticové prvky. Kvôli dobrému odolství pred oxidáciou Ni a dobrému odolství pred únavou Co majú Ni+Co (ako odolnosť pred oxidáciou a koroziou) dobré celkové vlastnosti. Zatiaľ čo Cr sa používa na zlepšenie odolnosti pred koroziou oblohy, Al môže zvyšovať odolnosť pred oxidáciou oblohy a Y môže zlepšiť jej odolnosť pred koroziou a tepelným šokom.

Výkon systému MCrAlY je vynikajúci, ale môžu sa používať len pri teplotách nižších ako 1 100℃. Pre zvýšenie pracovnej teploty vykonali príslušní výrobcovia a výskumníci veľa výskumov o úprave nátierky MCrAlY. Napríklad dopantovaním iných ligovacích prvkov ako sú W, Ta, Hf a Zr [34] na zlepšenie vlastností spojovacej vrstvy. YU a spol. [35] naniesli teplovú bariérnu nátierku, ktorá sa skladá z Pt modifikovanej NiCoCrAlY spojovej vrstvy a nanoštruktúrovaného 4 hmotnostných percent ceriiového stabilizovaného cirkonátu (4YSZ) keramického vrstvy na druhé generácie niklového superalloy. Bolo vyšetrované teplové cyklovacie správanie NiCoCrAlY-4YSZ teplovej bariérnej nátierky v ovzduší a vplyv Pt na tvorbu a oxidovačnú odolnosť TGO pri teplote 1 100℃. Výsledky ukazujú, že v porovnaní s Nicocraly-4YSZ je modifikácia NiCoCrAlY pomocou Pt prospešná pre tvorbu α-Al2O3 a zníženie rýchlosti rastu TGO, čo predĺži životnosť teplovej bariérnej nátierky. GHADAMI a spol. [36] pripravili NiCoCrAlY nanokompozitnú nátierku metódou nadzvukového plamenného naniesania s nanoCEO2. Nanokompozitné nátierky NiCoCrAlY s 0,5, 1 a 2 hmotnostnými percentami nanoCEO2 boli porovnané s konvenčnými nátierkami NiCoCrAlY a NiCoCrAlY nanokompozitami. Výsledky ukazujú, že kompozitná nátierka NICocRALy-1 hmotnostných percent nano-CEO2 má lepšiu oxidovačnú odolnosť, vyššiu tvrdosť a nižšiu porozitosť ako ostatné konvenčné nátierky NiCoCrAlY a NiCoCrAlY nanokompozity.

Momentálne, okrem systému MCrAlY, ktorý sa dá použiť ako väzobná vrstva, je NiAl tiež dôležitým materiálovým komponentom pre väzobné vrstvy. NiAl sa hlavne skladá z β-NiAl, ktoré na povrchu nátierky tvorí spojitú hustú oxidnú plienku pri teplotách vyšších ako 1 200 °C a považuje sa za najpromisnejšiu kandidátsku látku pre novú generáciu kovových väzobných vrstiev. V porovnaní s MCrAlY a tradičnými β-NiAl nátierkami majú PT-modifikované β-NiAl nátierky lepšiu odolnosť predoxidačnosti a korózii. Avšak oxidná plienka, ktorá sa tvorí pri vysokých teplach, má slabú prilnavosť, čo významne skrátia životnosť nátierky. Preto, aby sa zlepšili vlastnosti NiAl, výskumnici provedli štúdie o dopantovacom úprave NiAl. Yang Yingfei spoluautor [37] pripravil nátierky NiCrAlY, NiAl, PT-modifikované NiAl nátierky a Pt+Hf spoločne dopantované NiAl nátierky a porovnal ich odolnosť predoxidačnosti pri 1 100 °C. Konečné výsledky ukázali, že najlepšiu odolnosť predoxidačnosti má Pt+Hf spoločne dopantovaná NiAl nátierka. Qiu Lin [38] pripravil NiAl blokové ligovanie s rôznym obsahom Al a β-NiAl blokové ligovanie s rôznym obsahom Hf/Zr vakuumovým oblúkovým tavením a študoval vplyv Al, Hf a Zr na odolnosť predoxidačnosti NiAl alianzu. Výsledky ukázali, že odolnosť predoxidačnosti NiAl alianzu stúpa s nárastom obsahu Al a pridanie Hf/Zr do β-NiAl alianzu je prospešné na zlepšenie odolnosti predoxidačnosti, optimálne množstvo dopantu bolo 0,1 at.% a 0,3 at.% resp. LI et al. [39] pripravil nové redometálmodifikované β- (Ni, Pt) Al nátierky na Mo-bohaté Ni2Al-bazové superalianzy elektrodepozíciou a technológiou s nízkou aktívnosťou aluminizácie a porovnal redometálmodifikované β- (Ni, Pt) Al nátierky s tradičnými β- (Ni, Pt) Al nátierkami. Izotermické oxidovačné správanie Pt) Al nátierky pri 1 100 °C. Výsledky ukazujú, že redometály môžu zlepšiť odolnosť predoxidačnosti nátierky.

V závere, MCrAlY a NiAl nátierky majú svoje vlastné prednosti a nevýhody, preto by výskumníci mali pokračovať vo výskume úprav na báze týchto dvoch nátierkových materiálov, hľadajúc rozvoj nových materiálov pre kovovú väzobnú vrstvu, aby sa môžno vyššie servisové teploty pri teplovej bariére naftových turbín.