Napredek raziskav in trendi razvoja težkih plinskih turbine in njihovih toplotnih varnostnih oblepov (2)

Termalna varnostna ojačitev

Istražovalni ozadje termalnih varnostnih ojačitev

Ko je bil prvi plinski turbine uspešno razvit leta 1920, je ta vedno igral ključno vlogo v področju proizvodnje električne energije in pogona. Poleg tega, s razvojem industrijske tehnologije, se tehnični nivo tesnih plinskih turbin neustano izboljšuje in kako izboljšati učinkovitost tesnih plinskih turbin postaja vedno bolj nujno. Turbinska listel je ena od pomembnih komponent tesnega sistema sagorovanja plinske turbine. Povečanje temperature vhoda v turbine učinkovito izboljša učinkovitost tesne plinske turbine. Zato lahko pripadajoči raziskovalci delajo na povečanju temperature vhoda v turbine. Da bi se izpolnila povečana zahteva po temperaturi delovanja prihodnjih učinkovitih plinskih turbin, so na površino toplogeneriranih komponent običajno spricanje termalnih varnostnih ojačitev.

V letu 1953 je bil koncept termičnega varnostnega obložila prvič predstavljen s strani raziskovalnega inštituta NASA-Lewis v Združenih državah [13], kar pomeni, da se keramično obložilo sprejema na površino delov, ki delujejo v visoko temperaturnem okolju, prek tehnologije termičnega spremanja, da zagotovi toplinsko izolacijo in zaščito, zmanjša temperaturo površine listve, zmanjša porabo goriva motornika in podalje življenjski čas listve. Termično varnostno obložilo zaradi svojih odličnih lastnosti, kot so nizka stroškov priprave in dobra toplinska izolacijska zaščita, najde široko uporabo v topnih komponentah industrijskih plinovih turbinek in letalskih motorjev (turbinskih listvih in splačevalnikih itd.) in je mednarodno priznano kot predelna tehnologija za proizvodnjo težkih plinovih turbinek.

Sistemska struktura termičnega varnostnega obložila

• Z napredkom in razvojem znanosti in tehnologije postane vhodna temperatura plinskih turbine vedno višja. Za dosego boljše izolacijske lastnosti termičnega varčastega obložbe se večina raziskav po svetu fokusira na načrtovanje strukture termičnega varčastega obložbe, kar je dovolj jasno pokaže pomembnost strukture termičnega varčastega obložbe [14]. Po različnih strukturah obložbe se lahko razdeli na dvojni sloj, večslojne in gradientne strukture [15].
• Med njimi je dvostransko termično pregradno otopitev, sestavljena iz keramične plast in vezne plasti, kot najenostavnejša in zreljša termična pregradna otopitev med vsemi strukturnimi otopitvami, bila široko uporabljena v tehnologiji termičnih pregradnih otopitev. Med njimi je najbolj široko uporabljena dvostranska strukturna termična pregradna otopitev, ki uporablja 6 wt.% ~ 8 wt.% itrij stabiliziran zirkonia (6-8YSZ) kot material za zunanjo keramično plast in MCrAlY (M=Ni, Co, Ni+Co itd.) kovina kot material za kovinsko vezno plast [16]. Vendar pa zaradi neusklajenosti med koeficientom termičnega razširjanja keramične plasti in kovinske vezne plasti lahko v otopitvi prihaja do napetosti in hkrati do zgodnjega oddelave otopitve.
• Da bi izboljšali učinkovitost toplinskega varnega obložja, so raziskovalci pripravili večplastično strukturno toplinsko varno obložje z relativno kompleksno strukturo (sintetično obložje), torej, na osnovi dvostranske strukturne topline so dodali nekaj plastí izolacije in varnih plasti, splošno pet plasti. Med njimi so največ raziskovane blokirne plasti glavno vsebovale Al2O3, NiAl itd. [17]. FENG in sodelavci [18] so uporabili APS za pripravo YSZ toplinskega varnega obložja in LZ/YSZ toplinskega varnega obložja (La2Zr2O7 / ZrO2-Y2O3 dvojni keramični plast toplinskega varnega obložja), ter so uporabili laserjo ponovno stopljeno tehnologijo za ponovno stopljenje površine obložja, nato pa so izvedli visoko temperaturno oksidacijsko preskus pri 1 100℃. Rezultati kažejo, da je v primerjavi z YSZ toplinskim varnim obložjem LZ/YSZ dvojni keramični plast toplinskega varnega obložja bolj oduposten. Kljub temu, da je učinkovitost večplastičnega toplinskega varnega obložja boljša od dvostranskega toplinskega varnega obložja, je njegova struktura in pripravniki postopek bolj zapleteni, njegova pa je toplinska šokiranost slabša, zato je v praktični uporabi omejena. Zato pride do nastanka gradientne strukturne topline.
• Struktura termičnega varnostnega revitve s gradientom se karakterizira z neprekinjeno spremembo sestava in strukture v smeri debeline revitve, kar pomeni nejasen mejiški vmesnik. V primerjavi z dvoslojno in večslojno strukturo ima termična varnostna revitev s strukturo gradienta ne le izjemno upornost proti termičnim šokom, ampak tudi prikazuje neprekinjeno spremembo lastnosti, zato ima lastnosti olajšave termičnega stresa in jo je mogoče uporabiti v hudo visoko temperaturno okolje. Gospod je pregledal glavne tehnologije funkcionalno gradirane termične varnostne revitve. Kljub različnim načinom priprave je v praksi slabost strukture gradienta termične varnostne revitve zaradi zapletene postopke priprave, težave v nadzoru strukturnih komponent in visoke cene.
• V sklopu, dvojni termični varnostni plastični oglas je široko uporabljen in postopek je zrelos, še vedno pa je to priljubljena oblika strukture termičnega varnostnega oglasnika. Keramična plast in vezujoča plast [20] sta nanašeni na alijanski matriks s tehniko toplinskog spricanja. V pogoje visoke temperature oksidacije se po oksidaciji obrazuje tanka plast toplega rasta oksida na površini vezujoče plasti, kot je prikazano na Sliki 1. Med njimi je alijanski matriks, kot komponenta zaščitena s termičnim varnostnim oglasom, sposoben opravljati vlogo nosilca zunanjih mehanskih tež, in je njegov material glavno visoko temperaturni niklov superalijansa, ki je odporna pred oksidacijo. Vloga vezujoče plasti je povečati vezavo med keramično plastjo in alijanskim matriksom, debelina je splošno 50 ~ 150 µm, in je material običajno izbran MCrAlY (M=Ni/Co/Ni+Co), ki ima majhen razlikovni koeficient termičnega razširjanja alijanskega matriksa. Termično rastni oksid (TGO) je glavno vrsta α-Al2O3 tenkine, ki se oblikuje med keramično plastjo in vezujočo plastjo v okolju visoke temperature oksidacije, s debelino 1 ~ 10 µm, ki veliko vpliva na oglas. Keramična plast ima funkcije topline, korozijske odporne in odporne pred udarjem [21], debljina je običajno 100 ~ 400 μm, in je material glavno 6-8YSZ z nizko toplotovalnostjo in relativno visokim koeficientom termičnega razširjanja [22].

Materiali termične barjerne plasti

Temperatura vhoda na žarkem listu je tesno povezana z njegovo delovno učinkovitostjo. Le z povečevanjem temperature vhoda na žarkem listu je mogoče izboljšati delovno učinkovitost. Vendar pa z razvojem znanosti, tehnologije in industrije še vedno narašča delovna temperatura topleh delov težkih plinskih turbinev, pri čemer je meja temperature za niklovobazne alejske žarke liste 1150°C, kar pomeni, da jih ni več mogoče uporabljati pri višjih temperaturah. Zato je zelo nujno najti in razviti materiale za termično preprečevalno oblepšavo s odličnimi lastnostmi. Med tem, ker so delovne pogoje za termično preprečevalno oblepšavo zelo slabi, so pogoji izbire materialov za termično preprečevalno oblepšavo v resničnem procesu še strožji. Materiali keramične plastine običajno zahtevajo nizko toplotočilnost in visoko točko taljenja, da se ne spremenijo v fazo med sobno temperaturo in delovno temperaturo, ter potrebujejo tudi visoko koeficienta toplotnega razširjanja, izjemno odpornost na toplotni šok, odpornost na pečenje in korozijsko odpornost [24]. Material prilepljive plastine mora imeti lastnosti, kot so odpornost na korozijske dejavnike, odpornost na oksidacijo, dober lepljiv moč in druge lastnosti [25-26].

Material keramične plasti

Strogi pogoji uporabe termičnega varnostnega revitve omejujejo izbiro njihovih materialov. Trenutno so materiali termične varnostne revitve primerni za prakso zelo omejeni, predvsem YSZ materiali in redka zemlja oxidna dopantna YSZ materiala.

(1) zirkonia stabilizirana s oksidom itrijuma

Trenutno se med keramičnimi materiali izkazuje ZrO2 zlasti zaradi visoke točke talenja, nize koficienta toplotevodežnosti, visokega koeficienta termodilatacije in dobre odpornosti na razcep. Vendar ima čist ZrO2 tri kristalne oblike: monoklinsko (m) fazo, kubično (c) fazo in tetragonalno (t) fazo, in je čist ZrO2 podoben spremembi faze, kar povzroči spremembo volumna, kar ima nezaželen vpliv na življenje revetve. Zato se ZrO2 pogosto dopira s stabilizatorji, kot so Y2O3, CaO, MgO in Sc2O3, da se izboljša njegova fazična stabilnost. Med njimi ima 8YSZ najboljše lastnosti; ima dovolj moč (~ 14 GPa), nizko gostoto (~ 6,4 Mg·m-3), nize koficienta toplotevodežnosti (~ 2,3 W·m-1 ·K-1 pri 1 000℃), visoko točko talenja (~ 2 700℃), visoki koeficient termodilatacije (1,1×10-5 K-1) in druge odlične lastnosti. Zato se kot material keramične plasti široko uporablja v toplotnih pregradnih revetvah.

(2) Redka zemlja okside dopirani YSZ

Ko deluje YSZ v okolju, ki je dolgo časa nad 1 200 °C, se običajno pojavijo fazični prehod in sinteranje. S eno strani se neuskladeni tetragonalni fazni t' pretvori v mešanico kubične faze c in tetragonalne faze t, in med hlađenjem se t' pretvori v monoklinski fazni m, pri čemer se fazični prehod zdi neprestano s spremembo prostornine, kar hitro povzroči odlupovanje revetve [27]. S druge strani sinteranje zmanjša poroznost revetve, zmanjša njeno termično izolacijsko zmogljivost in stransko toleranco, poveča pa jojo trdnost in elastični modul, kar veliko vpliva na zmogljivost in življenjski čas revetve. Zato YSZ ni mogoče uporabiti v naslednji generaciji težkih plinskih turbinev.

Splošno je možno izboljšati učinkovitost YSZ, tako da se spremeni ali poveča vrsta stabilizatorja circona, na primer s metodami doperiranja YSZ z redkimi zemeljskimi oksidi [28-30]. Odkrito je bilo, da je večja razlika v radijih med Zr jonoma in dopiranimi joni, višja koncentracija defektov, kar povečuje fononsko odbojnico in zmanjšuje toplotno prevodnost [31]. CHEN in sodelavci [32] so z uporabo APS pripravili termično varčno ogrodsko keramično plasti (LGYYSZ) z La2O3, Yb2O3 in Gd2O3 skupaj doperiranega YSZ, ter so preko meritev in računov določili koeficient termičnega širjenja in toplotno prevodnost termičnega varčnega ogrodja, ter opravili termični cikel test pri 1 400℃. Rezultati kažejo, da ima LGYYSZ ogrodje v primerjavi z YSZ ogrodjem nižjo toplotno prevodnost, daljši termični ciklični življenjski čas in dobro fazično stabilnost pri 1 500℃. Li Jia in sodelavci [33] so pripravili Gd2O3 in Yb2O3 skupaj doperirano YSZ prašek s kemično skupno sedimentacijo in Gd2O3 in Yb2O3 skupaj doperirano YSZ ogrodje s pomočjo APS, ter so proučevali vpliv različnih količin doperiranja oksidov na stabilnost faze ogrodja. Rezultati kažejo, da je fazična stabilnost Gd2O3 in Yb2O3 skupaj doperiranega YSZ ogrodja boljša kot tradicionalnega 8YSZ ogrodja. Faza m je manj prisotna po visoko temperaturnem toplem obdelavi, kadar je količina doperiranja nizka, in nastane stabilna kubična faza, kadar je količina doperiranja visoka.

V primerjavi s standardnim YSZ ima novopopravljeni YSZ keramični material nižjo toplotočilnost, kar omogoča boljše izolacijske lastnosti termičnega varnostnega obleganja in ponudi pomemben osnovni kamen za raziskave visoko učinkovitih termičnih varnostnih obleganj. Vendar pa je skupna učinkovitost tradicionalnega YSZ dobra, zato je široko uporabljena in jo ne more noben popravljeni YSZ zamenjati.

Material zaklepne plasti

Povezovalna plast je zelo pomembna v toplomernem varnem oblogu. Poleg tega lahko keramična plast dobro prilaga allejskemu matriksu, pri čemer se zmanjša notranji stres, ki ga povzroči neusklajenost toplotnega razširjanja v oblogu. Poleg tega lahko s formiranjem goste oksidne plasti pri visoki temperaturi izboljšamo toplotno korozijsko in oksidacijsko upornost celotnega sistemskega obloga, kar podaljuje življenjsko dobo toplomernega varnega obloga. Trenutno se za povezovalno plast običajno uporablja MCrAlY alej (M je Ni, Co ali Ni+Co, odvisno od uporabe). Med njimi je NiCoCrAlY široko uporabljena v težkih plinskih turbineh zaradi dobrih skupnih lastnosti, kot so oksidacijska in korozijska upornost. V sistemu MCrAlY se Ni in Co uporabljata kot matriksni elementa. Zaradi dobre oksidacijske upornosti Ni in dobre umorovske upornosti Co imajo Ni+Co (kot oksidacijska in korozijska upornost) dobre skupne lastnosti. Medtem ko se Cr uporablja za izboljšanje korozijske upornosti obloga, lahko Al poveča oksidacijsko upornost obloga, medtem ko Y izboljša korozijsko in toplotno udarno upornost obloga.

Učinkovitost MCrAlY sistema je odlična, vendar ga je mogoče uporabljati le pri delu pod 1 100℃. Za povečanje temperature uporabe so pripadajoči proizvajalci in raziskovalci izvedli veliko raziskav o spremembi MCrAlY obloga. Na primer, dodajanje drugih stopinskih elementov, kot so W, Ta, Hf in Zr [34], da bi izboljšali učinkovitost povezave. YU in sodelavci [35] so nanijeli toplinsko varno oblogo, sestavljeno iz Pt spremenjenega NiCoCrAlY povezave in nanostrukturiranega 4 težnih % yttrij-stabilizirane cirkonije (4YSZ) keramične plasti na drugo generacijo niklovih superlegur. Preučevali so toplinsko ciklično vedenje NiCoCrAlY-4YSZ toplinske varne oblike v zraku ter vpliv Pt na oblikovanje in oksidacijsko upornost TGO pri temperaturi 1 100℃. Rezultati kažejo, da je v primerjavi z Nicocraly-4YSZ sprememba NiCoCrAlY z Pt koristna za oblikovanje α-Al2O3 in zmanjšanje hitrosti rasta TGO, kar podaljša življenjsko dobo toplinske varne oblike. GHADAMI in sodelavci [36] so pripravili NiCoCrAlY nanozbirnico z nadzvočnim plamenskim sprejanjem z nanoCEO2. Nanozbirnice NiCoCrAlY s 0,5, 1 in 2 težnimi % nanoCEO2 so bile primerjane z konvencionalnimi NiCoCrAlY oblogami. Rezultati kažejo, da ima NICocRALy-1 težni % nano-CEO2 kompozitna obloga boljšo oksidacijsko upornost, višjo trdnost in nižjo poroznost kot druge konvencionalne NiCoCrAlY oblike in NiCoCrAlY nanozbirnice.

Trenutno, poleg sistema MCrAlY, ki ga je mogoče uporabiti za vezni plastič, predstavlja NiAl tudi ključno materialno vezavo. NiAl glavno sestavlja β-NiAl, ki ob temперaturah višjih od 1200°C tvori zvezno, gostoto oksidno filmsko površino na površini napojnice in je priznan kot najboljša potencialna kandidatka za novo generacijo metalnih veznih plastin. Primerjano z MCrAlY in tradičnimi β-NiAl napojnicami imajo PT-pretvorjene β-NiAl napojnice boljše odpornosti proti oksidaciji in koroziji. Vendar pa ima oksidna filmska plasta, ki se jo ob visokih temperaturah, slaba lepljenost, kar bo znatno skrčilo življenjsko dobo napojnice. Zato, da bi izboljšali lastnosti NiAl, so raziskovalci izvedli dopiranje spremembe pri NiAl. Yang Yingfei in sodelavci [37] pripravili NiCrAlY napojnico, NiAl napojnico, PT-pretvorjeno NiAl napojnico in Pt+Hf skupno-dopirano NiAl napojnico ter primerjali oksidacijsko odpornost teh štirih napojnic pri 1100°C. Končni rezultati pokažejo, da ima najboljšo oksidacijsko odpornost Pt+Hf skupno-dopirana NiAl napojnica. Qiu Lin [38] je pripravil NiAl bločni splav z različnim vsebino Al in β-NiAl bločni splav z različnim vsebino Hf/Zr s pomočjo vakuumskih oblakovanj in je raziskal vpliv Al, Hf in Zr na oksidacijsko odpornost NiAl splava. Rezultati so pokazali, da se oksidacijska odpornost NiAl splava povečuje z povečanjem vsebine Al, in da je dodajanje Hf/Zr v β-NiAl splav koristno za izboljšanje oksidacijske odpornosti, pri čemer so optimalne količine dopiranja 0,1 at.% in 0,3 at.%, oz. LI in sodelavci [39] so pripravili nov redometalno pretvorjen β-(Ni, Pt) Al napojnico na Mo-bogatom Ni2Al-baziranem superaliju s pomočjo elektrodepozicije in tehnologije nize aktivnosti aluminiranja, ter primerjali redometalno pretvorjeno β-(Ni, Pt) Al napojnico z tradicionalno β-(Ni, Pt) Al napojnico. Izotermično oksidacijsko ravnanje Pt) Al napojnice pri 1100°C. Rezultati pokažujejo, da lahko redometalne elemente izboljšajo oksidacijsko odpornost napojnice.

V sklopu, MCrAlY in NiAl plosčnice imata svoje prednosti in slabosti, zato bi raziskovalci morali nadaljevati s spremembo na podlagi teh dveh plosčinskih materialov, iščemo razvoj novih metalnih povezavnih plastičnih materialov, da bo službeno temperaturo toplomarnega oplotja za težke plinske turbine lahko višja.