Výskumný pokrok a vývojový trend ťažkých plynových turbín a ich tepelných bariérnych nátierov (3)

2.1 Príprava tepelného bariérového nátieru

Do istej miery mikroštuktúra teplovej izolačnej prevlúčky neovplyvňuje len teplovú izoláciu, oxidovačnú odolnosť a iné vlastnosti prevlúčky, ale tiež určuje životnosť prevlúčky. Mikroštuktúra teplovej izolačnej prevlúčky závisí nie len od použitého materiálu, ale aj od jej prípravného procesu. Preto je dôležité vybrať vhodný prípravný proces podľa rôznych požiadaviek na prípravu. Existuje veľa spôsobov prípravy teplových izolačných prevlúčok, avšak môžu byť hlavne rozdelené do dvoch kategórií: prvá je teplové sprejovanie, druhá je fyzikálna parová depozícia. Medzi metódami teplového sprejovania patrí predovšetkým supersonické sprejovanie, plazmové sprejovanie, explóziivné sprejovanie a pod. Prevleky prípravené pomocou teplového sprejovania sú listovité. Fyzikálna parová depozícia sa hlavne týka elektrónového lúčového fyzikálneho parového napĺňovania (EB-PVD), pričom prípravené prevleky sú slúpcovité. Keramická vrstva teplovej izolačnej prevlúčky sa často používa pomocou elektrónového lúčového fyzikálneho parového napĺňovania, atmosférického plazmového sprejovania a iných metód. Metalická väzobná vrstva hlavne aplikuje technológie teplového sprejovania, ako sú atmosférické plazmové sprejovanie (APS), nízkotlakové plazmové sprejovanie (LPPS) a supersonické plamenné sprejovanie (HVOF) [40]. Dosiaľ sú APS a EB-PVD hlavnými metódami na prípravu teplových izolačných prevlúčok pre plynové turbíny.

2.1.1 Atmosferické plazmové sprejovanie

APS je druh priamoho prúdu arký, ktorý vytvára sprejná hlavica na prevod Ar, He, N2 a iných plynov na plazmové jety, takže keramický prášok a kovový prášok dopravovaný nosným plynom môžu byť rýchlo zahriaté a roztopené do roztavených alebo čiastočne roztavených častíc. Technológia na tvorbu nánosu na povrch matricovej nadligatúry impakciou s veľkou kinetickou energiou (80 ~ 300 m/s) za pôsobenia elektrického poľa [42]. Teplová bariéra nánosu pripravená technológiou APS sa skladá z mnohých častíc navzájom nakladaných, a matrica je hlavne mechanicky vázaná na vrstevnatú mikroštruktúru, ktorá obsahuje veľa defektov rovnobežných s ligatúrnou matricou, ako sú porov a mikroroztavy (ako je znázornené na obrázku 2). Príčiny vzniku sú nasledovné: v podmienkach vysokých teplôt sa keramika alebo kov rozpustí na roztavené častice, a bude obsahovať niektoré okolité plyny, no chlodenie nánosu je veľmi rýchle, čo spôsobí, že plyny disolvované v roztavených časticiach počas procesu nánoru nemusia stačiť vykrystalozovať a potom sa vytvoria porov; Súčasne nedostatočné väzby medzi roztavenými časticami môžu tiež spôsobiť vznik porov a rozťaží v nánose. Preto, ak sa použije APS na pripravenie teplových bariérnych nánosov, ich porositás je vysoká a majú dobré tepelné izolačné vlastnosti, no ich nevýhody sú nedostatočná odolnosť voči deformácii a slabá odolnosť voči tepelným šokom [43], a hlavne sa používajú pre časti s relatívne lepším pracovným prostredím. Okrem toho je pripravenie APS lacnejšie, takže sa dá aplikovať na väčšie časti.

2.1.2 Elektrónová paprcova fyzikálna parnícka depozícia

EB-PVD je technológia, ktorá používa elektrónový paperc s vysokou energetickou hustotou na preranie povodňovej práškov v vakuumovej komore a tvorbu tekutého bazenu na povrchu prášku na vaporizáciu keramického práška a jeho depositáciu na povrch substrátu v atómovej forme na tvorbu tepelnej bariéry [45], ako je znázornené na obrázku 3. Štruktúra EB-PVD revetmentu je slúpcovitá krystalická štruktúra kolmá na aliažnú maticu, pričom revetment a matice sú hlavne spojené metalurgicky. Povrch nie je len hladký, ale má aj dobrú hustotu, preto má vysokú pevnosť väzby, odolnosť voči deformácii a odolnosť voči tepelnému šoku. Používa sa hlavne na časti s náročným pracovným prostredím, ako sú rotory plynových turbín. Avšak, náklady na prípravu EB-PVD revetmentu sú drahé, môžu sa prípraviť iba tenké revetmenty a rozmery častí majú určité požiadavky, preto sa redko používa v plynových turbínach.

Oba uvedené prípravné procesy sú už veľmi zrelé, ale stále majú svoje problémy, ako je vidieť v tabuľke 2. V posledných rokoch neustalo pracovníctvo na ich vylepšovaní a tvorbe nových metód prípravy teplovej bariéry. Zatiaľco medzi bežne používanými novými metódami prípravy teplovej bariéry je najvýznamnejšou technológia plazmového spreja fyzikálneho parného depositu (PS-PVD), ktorá sa považuje za jednu z najpromišľavejších a efektívnych metód prípravy teplovej bariéry.

2.1.3 Plazmové sprejovanie fyzikálneho parného depositu

Technológia PS-PVD bola vyvinutá na základe nízkotlakého plazmového sprejovania. Štruktúra nánosu pripravená touto metódou tvorí peřiny a stĺpy, pričom v nánose sú mnohé porie a veľké medzery, ako je vidieť na obrázku 4. Preto technológia PS-PVD vyriešila problém nedostatočnej teplovej izolácie nánosu EB-PVD a slabú odolnosť proti tepelným šokom u nánosu APS. Teplová bariéra pripravená pomocou technológie PS-PVD má vysokú väzovú pevnosť, dobré teplové izolačné vlastnosti a dobrú odolnosť proti tepelným šokom, ale má slabú odolnosť proti korozií a oxidácii CMAS. Na tejto báze navrhli ZHANG a spol. [41] metódu modifikácie nánosu termickej bariéry PS-PVD 7YSZ pomocou Al2O3. Výsledky experimentov ukázali, že oxidovačná odolnosť a odolnosť proti korozií CMAS nánosu 7YSZ termickej bariéry pripravenej pomocou technológie PS-PVD môžu byť zvýšené aluminizáciou.