Napredek raziskav in trendi razvoja težkih plinskih turbine in njihovih toplotnih varnostnih oblepov (3)

2.1 Priprava termičnega varnostnega revrizma

V določeni meri vpliva mikrostruktura toplotnega varnostnega obleganja ne le na toplotno izolacijo, oxidacijsko uporost in druge lastnosti obleganja, temveč tudi določa življenje obleganja. Mikrostruktura toplotnega varnostnega obleganja odvisi ne le od uporabljenega materiala, temveč tudi od njegovega pripravnega procesa. Zato je tudi pomembno izbrati ustrezen pripravni postopek glede na različne zahteve priprave. Obstaja veliko načinov za pripravo toplotnih varnostnih obleganj, vendar se glavno delijo na dve kategoriji: ena je toplotna spreževanje, druga pa fizikalno parno odloževanje. Med toplotnim spreževanjem vključujejo glavne metode visokozvočno spreževanje, plazmensko spreževanje, eksplozijsko spreževanje in druge. Obleganje pripravljeno s toplotnim spreževanjem je listasto. Fizikalno parno odloževanje pa vsebuje predvsem elektronski zrak fizikalno parno odloževanje (EB-PVD), pri čemer je obleganje stolpčasto. Keramsko plast toplotnega varnostnega obleganja se pogosto uporablja z metodo elektronskega zraka fizikalno parno odloževanje, atmosfersko plazmensko spreževanje in druge metode. Metalo vezujoče plast glavno uporablja tehnologije toplotnega spreževanja, kot so atmosfersko plazmensko spreževanje (APS), nizkotiskovno plazmensko spreževanje (LPPS) in visokozvočno plamenovo spreževanje (HVOF) [40]. Do danes sta APS in EB-PVD glavni načini za pripravo toplotnih varnostnih obleganj za plinske turbine.

2.1.1 Atmosfersko plazmensko spreminjanje

APS je vrsta direktnega tokovskega luka, ki ga generira sprejnik za pretvorbo Ar, He, N2 in drugih plinov v plazmenske toke, tako da se keramični prašek in kovinski prašek, prevožen s nosilnim plinom, hitro segre in zlepi v toplo ali polztoplo delce. Tehnologija za oblikovanje oplati na površini superlegure s področja matrice s veliko kinetično energijo (80 ~ 300 m/s) pod vplivom električnega polja [42]. Termična barjavna oplata pripravljena z tehnologijo APS sestoji iz številnih delcev, ki so medsebojno pripetjeni, in je matrica glavno mehansko vezana na listasto mikrostrojnost, ki vsebuje mnogo defektov, vzporednih legurski matriki, kot so pori in mikrorazpadi (kot je prikazano na Sliki 2). Razlogi za nastanek so sledeči: v visokotemperaturnih pogojih bo keramika ali kovine segre v toplo delce, ki bodo vsebovale nekatere okoljske pline, vendar pa je hitrost ohlajanja oplate zelo hitra, kar pomeni, da se plin, disan v toplo delce v procesu depositiranja, ne more časovno razpadati, kar pripomore k oblikovanju por. Hkrati bo tudi nepopolna povezava med topimi delci pripeljala do nastanka por in razpoklin v oplati. Zato, če se uporablja APS za pripravo termičnih barjavnih oplast, ima visoko poroznost in dobro termično izolacijsko lastnost, vendar pa imajo njene slabosti nepopolno odporne deformacije in slabo odpornost na termične šoke [43], in se uporablja predvsem za dele z relativno dobrom delovno okoljem. Poleg tega je priprava APS cenovno dostopna, zato jo je mogoče uporabiti za večje dele.

2.1.2 Elektronsko žarkovno fizikalno parno nagibanje

EB-PVD je tehnologija, ki uporablja visokoenergijsko gostoto elektronskega žarka za segrevanje praščastega obloga v vakuumski komori in oblikovanje toploga bazena na površini praščastega materiala, da se keramični prašek vaporizira in ga nanaša na površino podlagala v atomschem stanju, s čimer se oblikuje toplotno varnostna obloga [45], kot je prikazano na Sliki 3. Struktura EB-PVD obloge je stolpcasti kristalni vzorec, pravičen k metalnemu matricnemu sistemu, pri čemer so obloga in matrica glavno povezani preko metalurgije. Površina ni le gladka, ampak tudi dobro gosta, zato ima visoko vezno moč, straintolerancijo in upornost proti toplotnemu šokiranju. Predvsem se uporablja na delih z težkim delovnim okoljem, kot so rotorske lopice plinske turbine. Vendar pa je pripravnina stroškovna, lahko se pripravi le nekaj debelih oblog in imajo dele določene dimenzionalne zahteve, zato se redko uporablja v plinskih turbinah.

Obe omeniti prepovedni procesi sta postala zelo zrela, vendar še vedno obstajajo lastne težave, kot je prikazano v tabeli 2. V zadnjih letih so relevantni raziskovalci neprestano izboljševali in ustvarjali nove metode priprave toplomarnega ogrodja. Trenutno med pogosto uporabljanimi novimi metodami priprave toplomarnega ogrodja najpogostejša je tehnologija plazmenskega spritovanja fizikalne parne depositacije (PS-PVD), ki jo smatramo za eno izmed najbolj obetavnih in učinkovitih metod priprave toplomarnega ogrodja.

2.1.3 Plazmensko spritovalno fizikalno parno depositacijo

PS-PVD tehnologija je razvita na osnovi spremanja v nizkem tlaku z uporabo plazme. Struktura pelene, pripravljena s to metodo, je sestavljena iz perjan in stolpov, pori v peleni so številne in pregape veliki, kot je prikazano na Sliki 4. Zato PS-PVD tehnologija izboljšuje problem nepopolne termične izolacije EB-PVD pelene in slabe odpornosti na termične šokove APS pelene, ter termična preprečevalna pelena, pripravljena z PS-PVD tehnologijo, ima visoko vezno moč, dobro termično izolacijsko lastnost in dobro odpornost na termične šoke, vendar pa je slaba glede na korozijsko in oksidacijsko odpornost CMAS. Na tej osnovi so ZHANG in sodelavci [41] predlagali metodo spremembe PS-PVD 7YSZ termične preprečevalne pelene z Al2O3. Eksperimentalni rezultati kažejo, da se lahko oksidacijska odpornost in CMAS korozijska odpornost 7YSZ termične preprečevalne pelene, pripravljene z PS-PVD tehnologijo, povečata z aluminiranjem.