Výskumný pokrok a vývojový trend ťažkých plynových turbín a ich tepelných bariérnych nátierov (4)

Kľúčové vlastnosti teplovej bariéry obalov gásovej turbíny

Pretože práca pevných plynových turbín sa obvykle odohráva v komplikovanom prostredí a cyklus údržby je dlhý, môže dosiahnuť až 50 000 hodín. Preto, aby sa zlepšila technológia teplovej bariéry plynovej turbíny a predlžil sa životnosť teplovej bariéry, v posledných rokoch výskumnici uskutočnili veľa štúdií o kľúčových vlastnostiach tepelnej bariéry, ako sú tepelná izolácia, oxidovačnosť, odolnosť pred tepelným šokom a odolnosť pred CMAS koroziou. Medzi nimi sú štúdie o tepelnej izolácii, oxidovačnosti a odolnosti pred tepelným šokom tepelnej bariéry relatívne dostatočné, ale odolnosť pred CMAS koroziou je relatívne chudobná. Zároveň sa CMAS korozia stala hlavným spôsobom poruchy tepelnej bariéry, čo bráni rozvoju ďalšej generácie vysokoefektívnych plynových turbín. Preto tento oddiel najprv stručne predstaví teplovú izoláciu, oxidovačnosť a odolnosť pred tepelným šokom tepelnej bariéry, a potom sa zameria na výskum pokroku CMAS mechanizmu korozie a ochrany technológie tepelnej bariéry v časti 4.

Vlastnosť tepelnej izolácie

Spolu s rozvojom priemyslu majú vysokoefektívne plynové turbíny vyššie požiadavky na teplotu vstupného ventilu turbíny. Preto je mimoriadne dôležité zlepšiť tepelnú izoláciu teplovej bariérovej nátierky. Tepelná izolácia teplovej bariérovej nátierky je spojená s materiálom, štruktúrou a technológiami prípravy nátierky. Okrem toho ovplyvňuje jej tepelnú izolačnú schopnosť aj pracovné prostredie teplovej bariérovej nátierky.

Tepelná vodivosť sa všeobecne používa ako hodnotný ukazovateľ pre tepelnú izolačnú vlastnosť tepelne izolujúcich vrstiev. Liu Yankuan a spol. [48] pripravili vrstvu YSZ dopovanú 2 mol.% Eu3+ pomocou metódy APS a porovnaním s čistou vrstvou YSZ bolo zistené, že tepelná vodivosť vrstvy YSZ dopovanej 2 mol.% Eu3+ bola nižšia, teda tepelná izolácia vrstvy YSZ dopovanej 2 mol.% Eu3+ bola lepšia. Bolo nájdené, že priestorové a geometrické charakteristiky por v vrstve majú veľký vplyv na tepelnú vodivosť [49]. SUN a spol. [50] uskutočnili porovnávaciu štúdiu tepelnej vodivosti a pružného modulu tepelne izolujúcich vrstiev s rôznymi porovými štruktúrami. Výsledky ukázali, že tepelná vodivosť a pružný modulus tepelne izolujúcej vrstvy klesajú s úbytkom veľkosti por a čím vyššia je porositás, tým nižšia je tepelná vodivosť. Veľa štúdií ukázalo, že v porovnaní s EB-PVD vrstvou má APS vrstva lepšiu tepelnú izoláciu, pretože APS vrstva má vyššiu porositu a nižšiu tepelnú vodivosť [51]. RATZER-SCHEIBE a spol. [52] skúmali vplyv hrúbky vrstvy EB-PVD PYSZ na jej tepelnú vodivosť a výsledky ukázali, že hrúbka vrstvy EB-PVD PYSZ veľmi ovláda jej tepelnú vodivosť, teda aj hrúbka vrstvy je jednou z dôležitých faktorov ovplyvňujúcich tepelnú izolačnú vlastnosť tepelne izolujúcej vrstvy. Výsledky výskumu Gong Kaishenga a spol. [53] tiež ukazujú, že v rozsahu hrúbky vrstvy pre praktickú aplikáciu je tepelná izolačná vlastnosť vrstvy úmerná jej hrúbke a rozdielu teploty v prostredí. Iakože tepelná izolačná vlastnosť tepelne izolujúcej vrstvy sa zlepšuje s narastaním hrúbky, keď hrúbka vrstvy neustále narastá do istej hodnoty, môže sa ľahko vyskytnúť stresová koncentrácia v vrstve, čo môže spôsobiť predčasné zlyhanie. Preto, aby sa zlepšila tepelná izolačná vlastnosť vrstvy a predlžil sa jej životnospani, by mala byť hrúbka vrstvy rozumné regulovaná.

Odolnosť voči oxidácii

V podmienkach vysokooteplnej oxidácie sa ľahko tvorí vrstva TGO v teplovej bariérnej nátierke. Vplyv TGO na teplovú bariérnu nátierku [54] má dve strany: Z jednej strany môže vytvorené TGO zabrániť ďalšiemu difúziu kyslíka dovnútra a znížiť vonkajší vplyv na oxidáciu alejového matricového systému. Z druhej strany, s neprestajným zhoustením TGO, kvôli jeho veľkej pružnej moduli a veľkej rozdielovej koeficientu tepelnej úpravy v porovnaní s lepidlom, je tiež relatívne jednoduché vzniknutie veľkej strechy počas ochladzovacieho procesu, čo spôsobí rýchle oddelenie nátierky. Preto je pre zdlhdenie života teplovej bariérnej nátierky nevyhnutné zlepšiť oxidovačnú odolnosť nátierky.

XIE so spolupracovníkmi [55] študovali tvorbu a rastové správanie TGO, ktoré sa hlavne delí na dve fázy: najskôr hustá α -Na ploche prepojenia sa tvoril film Al2O3, následne sa medzi keramickou vrstvou a Al2O3 vytvoril porozný miešaný oxid. α -Výsledky ukazujú, že hlavná látkou spôsobujúcou trhliny v teplovej izolačnej obklade je porozný miešaný oxid v TGO, nie α -Al2O3. LIU a spol. [56] navrhli vylepšenú metódu na simuláciu rastu TGO pomocou numerického analyzovania vývoja streša v dvoch fázach, aby sa presne predpovedal životnost teplovej izolačnej obaly. Preto môžeme efektívne riadiť hrúbku TGO kontrolou rastu porozných škodlivých zmesí oxidov, aby sa predchádzalo predčasnému zlyhaniu teplovej izolačnej obaly. Výsledky ukazujú, že rast TGO môže byť oneskorený použitím dvojitých keramických teplových izolačných obalov, nanesením ochranného vrstvy na povrch obalu a zlepšením hustoty povrchu obalu, čo určitým spôsobom zvýši odolnosť obalu voči oxidácii. AN a spol. [57] použili technológiu APS na prípravu dvoch druhov teplových izolačných obalov: Formovanie a rast TGO boli študované pomocou izotermických oxidovačných testov pri 1 100 ℃ . Prvý je dvojitá keramická bariérová prevleka YAG/YSZ (DCL TBC) a druhý je jednoduchá keramická bariérová prevleka YSZ (SCL TBC). Výsledky výskumu ukazujú, že proces tvorby a rastu TGO sleduje zákony termodynamiky, ako je vidieť na obrázku 5: Podľa vzorcov (1) ~ (8), sa najprv tvorí Al2O3, potom oxidácia Y ionov tvorí extrémne tenkú vrstvu Y2O3 na povrchu Al2O3 TGO, a oboje sa reagujú medzi sebou na Y3Al5O12. Keď je Al ion redukovateľný na určitú hodnotu, oxidujú sa iné kovy v spojení vo vrstve pred a po tvorbe zmiešaných oxidov (Cr2O3, CoO, NiO a spinlových oxidov atď.), najprv sa tvoria Cr2O3, CoO, NiO, a potom reagujú s (Ni, Co) O a Al2O3 na (Ni, Co) Al2O4. (Ni, Co) O reaguje s Cr2O3 na (Ni, Co) Al2O4. Porovnaním s SCL TBC, je rast TGO v DCL TBC pomalší, takže má lepšie vysokoteplotné antioxidantné vlastnosti. Xu Shiming a spol. [58] použili magnetronové špietanie na nanorenia na povrch prevleku 7YSZ. Po tepelnej úprave, α -Al2O3 vrstva bola vygenerovaná in-situ reakciou. Štúdia ukázala, že α -Al2O3 vrstva, ktorá sa tvorí na povrchu nátierky, môže zlepšiť oxidovačnú odolnosť nátierky bránením difúzie oxidových íonov. FENG a spol. [59] ukázali, že laserové prerúbanie povrchu nátierky APS YSZ môže zlepšiť oxidovačnú odolnosť nátierky, hlavne preto, lebo laserové prerúbanie môže zlepšiť hustotu nátierky, čím oneskorený rast TGO.

Odolnosť voči tepelnému šoku

Keď sú komponenty horúcich častí ťažkých plynových turbín v prevádzke v vysoko teplom prostredí, často trpia tepelným šokom spôsobeným rýchlym zmenám teploty. Preto môžu byť kovové časti chránené zvyšovaním odolnosti proti tepelnému šoku izolačnej bariéry. Odolnosť proti tepelnému šoku izolačnej bariéry sa bežne testuje pomocou cyklov tepelnej prevádzky (tepelný šok), kedy sa najskor udrží na vysokej teplote počas určitého času a potom sa odstráni pre chlodenie vzduchom/vodou, čo tvorí jeden tepelný cyklus. Odolnosť proti tepelnému šoku izolačnej bariéry sa vyhodnocuje porovnaním počtu tepelných cyklov, ktoré prekonala obloha predtým než zlyhala. Štúdie ukázali, že odolnosť proti tepelnému šoku gradientovej štruktúry izolačnej bariéry je lepšia, hlavne preto, lebo hrúbka gradientovej štruktúry izolačnej bariéry je menšia, čo môže oneskoriť vznik tepelneho stresu v oblobe [60]. ZHANG so spolupracovníkmi [61] uskutočnili tepelné cyklové testy pri 1 000 ℃ na tri formy poľa, páska a mriežky termickej izolačnej prevety získanej laserovým znovupлавením NiCrAlY / 7YSZ termickej izolačnej prevety, a študovali termickú šokovú odolnosť nanesených vzoriek a troch vzoriek s rôznymi tvarmi po laserovej spracovaní. Výsledky ukazujú, že vzorec s poľami má najlepšiu termickú šokovú odolnosť a životnosť tepelného cyklu je dvojnásobná v porovnaní so vzorkou nanesenou sprejem. Avšak termická šoková odolnosť vzoriek s páskami a mriežkami je horšia ako u vzoriek nanesených sprejom, ako je vidieť na obrázku 6. Okrem toho mnohé štúdie ukázali, že niektoré nové materiály prevetí majú dobrú termickú šokovú odolnosť, napríklad SrAl12O19 [62] navrhnutý ZHOU et al., LaMgAl11O19 [63] navrhnutý LIU et al., a Sm2 (Zr0.7Ce0.3) 2O7 [64] navrhnutý HUO et al. Preto, aby sa zvýšila termická šoková odolnosť termickej izolačnej prevety, okrem dizajnu a optimalizácie štruktúry prevety je možné nájsť a vyvinúť nové materiály s dobrým odporm na termický šok.