Napredek raziskav in trendi razvoja težkih plinskih turbine in njihovih toplotnih varnostnih oblepov (4)

Ključne lastnosti termičnega varnostnega revitvega obloka plinske turbine

Ker delujejo težke plinske turbine običajno v kompleksnem okolju in je ohrabnilni cikel dolg, lahko doseže do 50.000 ur. Zato, da bi izboljšali tehnologijo toplinskih barierskih revrstvin za plinske turbine in podaljšali uporabno dobo teh revrstvin, so raziskovalci v zadnjih letih izvedli veliko raziskav o ključnih lastnostih toplinskih barierskih revrstvin, kot so izolacija pred toploto, upornost proti oksidaciji, upornost proti toplinskim šokom in upornost proti CMAS korozijski poškodbi. Med njimi so raziskave in napredek v zvezi s toplinsko izolacijo, upornostjo proti oksidaciji in upornostjo proti toplinskim šokom relativno dobro dokumentirane, vendar je upornost proti CMAS korozijski poškodbi primerjeno redka. Hkrati pa je CMAS korozijska poškodba postala glavni način poškodbe toplinskih barierskih revrstvin, kar preprečuje razvoju naslednje generacije visoko učinkovitih plinskih turbinev. Zato ta oddelek najprej kratko predstavi toplinsko izolacijo, upornost proti oksidaciji in upornost proti toplinskim šokom toplinskih barierskih revrstvin, nato pa se osredotoči na raziskovalne napredke v zvezi s mehanizmom CMAS korozijske poškodbe in zastopno tehnologijo toplinskih barierskih revrstvin v odseku 4.

Lastnost toplotne izolacije

Z razvojem industrije postavljajo visoko učinkoviti plinski turbine višje zahteve za temperaturo vhoda v turbine. Zato je zelo pomembno izboljšati toplinsko izolacijo termičnega pregradnega otopine. Toplinska izolacija termičnega pregradnega otopine je povezana s materialom, strukturo in postopkom priprave otopine. Poleg tega bo tudi delovno okolje termičnega pregradnega otopine vplivalo na njegovo zmogljivost topline.

Termalna prevodnost se splošno uporablja kot ocenjevalni indeks za izolacijsko zmožnost termičnih varnih oblog. Liu Yankuan in sodelavci [48] pripravili 2 mol.% Ev3+ dopiran YSZ oblego z APS, in so primerjali z YSZ oblego, rezultati so pokazali, da je bila termalna prevodnost 2 mol.% Ev3+ dopirane YSZ oblege nižja, torej je termična izolacija 2 mol.% Ev3+ dopirane YSZ oblege bila boljša. Ugotovljeno je, da imajo prostorske in geometrijske značilnosti poroznosti v oblegi velik vpliv na termalno prevodnost [49]. SUN in sodelavci [50] so izvedli primerjalno študijo termalne prevodnosti in elastičnega modula termičnih varnih oblog z različnimi porozičnimi strukturami. Rezultati kažejo, da se termalna prevodnost in elastični modul termične varne obole zmanjšujeta z zmanjševanjem velikosti por, in čim višja je porozičnost, tem nižja je termalna prevodnost. Številne študije so pokazale, da ima APS oblega boljšo termično izolacijo v primerjavi z EB-PVD ologo, ker ima APS oblega višjo porozičnost in nižjo termalno prevodnost [51]. RATZER-SCHEIBE in sodelavci [52] so proučevali vpliv debeline obole EB-PVD PYSZ na termalno prevodnost, in so rezultati pokazali, da je debelina obole EB-PVD PYSZ veliko vplivala na njeno termalno prevodnost, torej je tudi debelina obole ena od pomembnih faktorjev, ki vplivajo na izolacijsko zmožnost termične varne obole. Izkustva Gong Kaisheng in sodelavcev [53] također kažejo, da je v obsegu dejanske uporabe obole izolacijska zmožnost obole sorazmerna z njenovo debelino in temperaturno razliko okolja. Čeprav se izolacijska zmožnost termične varne obole povečuje z povečanjem debeline, ko se debelina obole nadaljuje povečati do določene vrednosti, je lahko preprosto povzročena skupnost napetosti v oblegi, kar vodi do predčasnega poškodbe. Zato, da bi se izboljšala izolacijska zmožnost obole in podaljšal življenjski čas, je treba debelino obole umerno urejati.

Upornost oxidaciji

Pod pogoji visoke temperaturne oxidacije se v termičnem varnostnem revitju lahko hitro oblikuje plasta TGO. Vpliv TGO na termično varnostno revitev [54] ima dve strani: S ene strani lahko oblikovano TGO prepreči daljšemu difuziranju kisika noter in zmanjša zunanji vpliv na oxidacijo legurske matrikse. S druge strani pa zaradi neprestane pomanjšave debeline TGO, ki jo povzroči njena velika elastična modula in velika razlika med njeno koeficientom termodilatacije in lepljivo plastjo, je tudi relativno preprosto, da se ob nastanku hladjenja pojavijo veliki stresi, kar bo privedlo do hitrega odpada revitja. Zato je za podaljšanje življenja termične varnostne revitve nujno izboljšati upornost oxidaciji revitve.

XIE in sodelavci [55] so raziskali oblikovanje in rast TGO, ki se glavno deli na dve fazi: najprej se oblikuje gosti α -Al2O3 plenek je bil sestavljen na lepljivi plasti, nato pa je med keramično plastjo in α -Al2O3 nastal porozni mešani oksid. Rezultati kažejo, da je glavna supstance, ki povzroča trsine v toplotnem varnostnem obleganju, porozni mešani oksid v TGO, ne α -Al2O3. LIU in sodelavci [56] so predlagali izboljšano metodo za simulacijo hitrosti rasti TGO z numerično analizo razvoja napetosti v dveh fazah, da bi točno napovedali življenje toplomarnih ogrovič. Zato je možno učinkovito nadzorovati debelino TGO z nadzorom rasti poroznih škodljivih mešanih oksidov, da se izognemo predčasnemu poškodovanju toplomarnih ogrovič. Rezultati kažejo, da je mogoče zamakniti rast TGO z uporabo dvočrtnih toplomarnih ogrovič, s depositacijo varčne plasti na površino ogroviča in izboljšavo gostote površine ogroviča, kar poveča oxidacijsko upornost ogroviča do neke mere. AN in sodelavci [57] sta pripravili dva vrsta toplomarnih ogrovič z uporabo tehnologije APS: obrazec in rast TGO sta bila raziskana s termičnimi oksidacijami pri 1 100 ℃ . Prvi je dvojni keramični pregradni oglasitev YAG/YSZ (DCL TBC), drugi pa enostavna keramična pregradna oglasitev YSZ (SCL TBC). Rezultati raziskave kažejo, da proces obrazovanja in rasti TGO sledijo zakonom termodinamike, kot je prikazano na Sliki 5: Po izračunih (1) ~ (8) se najprej oblikuje Al2O3, nato pa se oksidacija Y ionov oblikuje v zelo tanko plast Y2O3 na površini Al2O3 TGO, kjer sta oba reagirata skupaj za oblikovanje Y3Al5O12. Ko se Al ion zmanjša do določene vrednosti, se druge kovinske elemente v vezivi plasti oksidirajo pred in po tem, da se oblikujejo mešane okside (Cr2O3, CoO, NiO in spinel okside itd.), najprej se oblikuje Cr2O3, CoO, NiO, nato pa reagirajo z (Ni, Co) O in Al2O3 za oblikovanje (Ni, Co) Al2O4. (Ni, Co) O reagira s Cr2O3 za oblikovanje (Ni, Co) Al2O4. Primerjano z SCL TBC, je hitrost oblikovanja in rasti TGO v DCL TBC počasnejša, zato ima boljše visoko temperaturne抗氧化 lastnosti. Xu Shiming in sodelavci [58] so uporabili magnetronske pospevanje za odložitev pelence na površino oglašitve 7YSZ. Po toplotnem obdelavi, α -Al2O3 plast je bila sestavljena z reakcijo v situ. Raziskave so pokazale, da α -Al2O3 plast, ki se je obrazila na površini obleganja, lahko poveča upornost pred oksidacijo obleganja tako, da preprečuje difuzijo kisikovih ionov. FENG in sodelavci [59] so pokazali, da lahko laserjev ponovni topljenj površine obleganja APS YSZ poveča upornost pred oksidacijo obleganja, predvsem zaradi tega, ker lahko laserjev ponovni topljenj poviša gostoto obleganja, s tem pa zamujanje rasti TGO.

Upornost pred termičnimi šokom

Ko so komponente vročega konca težkih plinskih turbine v uporabi v visoko temperaturnem okolju, pogosto trpijo termično šokiranje, ki ga povzroči hitri sprememb temperature. Zato jih je mogoče zaščititi z izboljšanjem upornosti proti termičnemu šoku termičnega varnega obloga. Upornost proti termičnemu šoku termičnega varnega obloga se splošno preverja s testom cikličnega (termičnega šoka) testiranja, kjer je najprej vzdržan pri visoki temperaturi nekaj časa, nato pa odstranjen za hlađenje z zrakom/vodo, kar predstavlja en termični cikel. Upornost proti termičnemu šoku termičnega varnega obloga se oceni z primerjanjem števila termičnih ciklov, ki jih je obloga izkusila, ko pride do usposobljenosti. Študije so pokazale, da je upornost proti termičnemu šoku gradnjenega strukturnega termičnega varnega obloga boljša, glavno zaradi tega, ker je debelina gradnjenega strukturnega termičnega varnega obloga manjša, kar lahko zamudi termične napetosti v oblogu [60]. ZHANG in sodelavci [61] so izvedli termične cikelne teste pri 1 000 ℃ na tri oblike toplotnih varnostnih plastičnih obeh: pike, črt in mreže, pridobljenih s laserjskim pretopljanjem toplotne varnostne plastene obeh NiCrAlY / 7YSZ, ter so raziskali upornost proti toplotnemu šokiranju spritnih vzorcev in trih vzorcev z različnimi oblikami po laserjskem obravnavanju. Rezultati kažejo, da ima vzorec s pikami najboljšo upornost proti toplotnemu šokiranju in je življenjska doba toplotnega cikla dvakrat daljša kot pri spritu. Vendar pa je upornost proti toplotnemu šokiranju vzorcev s črtami in mrežo slabša od tistih pri spritu, kot je prikazano na Sliki 6. Poleg tega so številne študije pokazale, da imajo nekatere nove plastene materialne snovi dobro upornost proti toplotnemu šokiranju, kot sta npr. SrAl12O19 [62], ki jo je predlagal ZHOU in sodr., LaMgAl11O19 [63], ki jo je predlagal LIU in sodr., ter Sm2 (Zr0.7Ce0.3) 2O7 [64], ki jo je predlagal HUO in sodr. Zato, da bi se izboljšala upornost proti toplotnemu šokiranju toplotne varnostne plastene obeh, je možno vedno iskati in razvijati nove snovi z dobro upornostjo proti toplotnemu šokiranju, poleg strukturnega načrtovanja in optimizacije plastene obeh.