Forskningsframsteg och utvecklingstrend för tunga gasodlare och deras vedertillfälliga barrierbelagningar (2)

Tvärvärmeförhandsläggning

Forskningsbakgrund om tvärvärmeförhandsläggning

Eftersom den första gasTurbinen framgick 1920, har gasturbinen alltid spelat en avgörande roll inom kraftgenerering och driftnivå. Dessutom, med utvecklingen av industritekniken, förbättras teknologinivån av tunga gasturbiner kontant och hur man kan förbättra effektiviteten hos tunga gasturbiner blir allt brådare. Turbinblad är ett av de viktigaste komponenterna i brännningssystemet för tunga gasturbiner. Att höja turbinens intagstemperatur kan effektivt förbättra effektiviteten hos tunga gasturbiner. Därför kan relevanta forskare arbeta mot att höja temperaturerna på turbinintaget. För att uppfylla den ökande efterfrågan på driftstemperature för framtida effektiva gasturbiner, sprutas vanligtvis tvärvärmsförsäkringar på ytan av heta komponenter.

I år 1953 formulerades konceptet om termisk barriärbeläggning först av NASA-Lewis Research Institute i USA [13], det vill säga att keramisk beläggning sprutas på ytan av komponenter som arbetar i högtemperatursmiljöer med hjälp av termisk sprutteknik, för att ge värmeisolation och skydd, minska bladets yttemperatur, minska motornes bränsleförbrukning och förlänga bladets livslängd. Termisk barriärbeläggning har fått ett brett tillämpningsområde inom de varma delarna av industrigasturbiner och flygmotorer (turbinskivor och förgasare mm.) tack vare dess utmärkta egenskaper som låg produktionskostnad och god värmeisolationsförsvar, och anses internationellt som en nyckleteknik för tung gasturbinproduktion.

Systemstruktur för termisk barriärbeläggning

• Med framstegen och utvecklingen inom vetenskap och teknik blir inlettemperaturerna för gasturbiner allt högre. För att uppnå en bättre värmoisoleringseffekt av vedermotsbarriärbeläggning fokuserar de flesta studier runt om i världen på att designa strukturen av vedermotsbarriärbeläggningen, vilket fullt visar på betydelsen av beläggningens struktur [14]. Enligt den olika beläggningens struktur kan den delas in i dubbel lager, flera lager och gradientstruktur [15].
• Bland dessa finns den dubbelvradsade termiska barrierkoefficienten, som består av en keramisk lager och ett bindningslager. Som den enklaste och mer utvecklade termiska barrierkoefficienten bland alla lagringsstrukturer har den fått ett brett användningsområde inom tekniken för termiska barrierlager. Den mest använda dubbelvradsade strukturen på termiskt isolerande lager använder 6 vikt.% ~ 8 vikt.% yttriumstabiliserad zirkonia (6-8YSZ) som material i det yttre keramiska lagret och MCrAlY (M=Ni, Co, Ni+Co, etc.) legering som metallbindningslagrets material [16]. Dock, på grund av missmatch mellan termiska expansionskoefficienten hos keramiklageret och metallbindningslagret, är det lätt att orsaka spänning i lagret och göra att lagret faller av tidigare än förväntat.
• För att förbättra prestandan hos den termiska barriärbeläggningen förberedde forskarna en flerlagsstrukturad termisk barriärbeläggning med en relativt komplex struktur (kompositbeläggning), det vill säga, flera isolerings- och barriärskikt läggs till på basisen av den tvålagsstrukturade termiska barriärbeläggningen, vanligtvis fem skikt. Bland dessa är de mest studerade blockskikten främst Al2O3, NiAl, etc. [17]. FENG et al. [18] använde APS för att förbereda YSZ-termisk barriärbeläggning och LZ/YSZ-termisk barriärbeläggning (La2Zr2O7 / ZrO2-Y2O3-dubbel keramisk lager termisk barriärbeläggning) och använde lasersmältningsteknik för att smälta beläggningens yta och genomförde sedan högtemperaturoxidationsprov på 1 100℃. Resultaten visar att jämfört med YSZ-termisk barriärbeläggning har LZ/YSZ-dubbel keramisk termisk barriärbeläggning bättre oxidationsmotstånd. Även om prestandan hos flerlagsbarriärbeläggningen är bättre än hos tvålagsbarriärbeläggningen är dess struktur och tillverkningsprocess mer komplex och dess termoschockresistens är dålig, så den har begränsad praktisk tillämpning. Därför kommer gradientstrukturen termisk barriärbeläggning till stånd.
• Gradientstrukturen för varmväggsbeläggning kännetecknas av en kontinuerlig gradientändring av sammansättning och struktur längs med tjockleksriktningen av beläggningen, vilket leder till en obestämd mellanskiktsgrensmark. Jämfört med tvåskikts- och flerskiktsstrukturer har gradientstrukturen för varmväggsbeläggning inte bara utmärkande vedermotstånd, utan visar också en kontinuerlig gradientändring i prestanda, så den har egenskaper för varmebelastningslindring och kan användas i extremt högtemperatursmiljö. De huvudsakliga termiska sprutningsmetoderna för funktionellt graduerade varmväggsbeläggningar granskades av herrn. Trots att det finns många olika företningsmetoder är gradientstrukturen för varmväggsbeläggning praktiskt taget dålig på grund av dess komplexa framställningsprocess, svår kontroll av strukturella komponenter och hög kostnad.
• Sammanfattningsvis är den dubbelväggade termiska barriärbelägningen omfattande använd och processen är mogen, och det är fortfarande den föredragna strukturella formen av termisk belägning. Den keramiska lagret och bindningslagret [20] deponeras på den alliansmatrisen med hjälp av termisk spretningsteknik. Under högtemperaturoxidationsförhållanden bildas en tunn skikt av värmeoxidering efter oxidering på ytan av bindningslagret, som visas i figur 1. Därav är alliansmatrisen, som en komponent skyddad av termisk belägning, kan spela en roll vid uppburen av externa mekaniska laster, och dess material är huvudsakligen nikelbaserade superallianser med hög temperaturmotstånd och oxidationstillämpning. Bindningslagrets roll är att förstärka bindningskraften mellan keramiklagret och alliansmatrisen, tjockleken är vanligtvis 50 ~ 150 µm, och materialet är vanligtvis valt MCrAlY (M=Ni/Co/Ni+Co), vilket har en liten skillnad i termisk expansionskoefficient jämfört med alliansmatrisen. Termisk tillväxtoxid (TGO) är främst en typ av α-Al2O3-tunnfilm som bildas mellan keramiklagret och bindningslagret under högtemperaturoxidationsmiljö, med en tjocklek på 1 ~ 10 µm, vilket har stor påverkan på belägningen. Keramiklagret har funktionerna att isolera mot värme, motstå korrosion och motstå påverkan [21], tjockleken är vanligtvis 100 ~ 400 μm, och materialet är huvudsakligen 6-8YSZ med låg termisk ledningsförmåga och relativt hög termisk expansionskoefficient [22].

Material för termisk barriärklädnad

Ingångstemperaturen för turbinbladet är nära relaterad till dess arbets-effektivitet. Endast genom att höja ingångstemperaturen på turbinbladet kan arbets-effektiviteten förbättras. Men med utvecklingen av vetenskap och teknik och industrin, fortsätter arbets temperaturen på hetdelarna hos tunga gasdriftade turbiner att stiga, och den maximala temperaturen för nikelbaserade turbinblad är 1150℃, vilket inte längre kan fungera vid högre temperaturer. Därför är det särskilt brådskande att hitta och utveckla material för termiska barriärbelagningar med utmärkta egenskaper. Däribland, eftersom driftvillkoren för termiska barriärbelagningar är mycket dåliga, är kraven på val av material för termiska barriärbelagningar striktare i praktiken. Keramiska lagervariabler kräver vanligtvis låg värmeledningsförmåga och hög smältpunkt, och de bör inte enkelt undergå fasomvandlingar inom spannet från rumstemperatur till drifttemperatur, och de behöver också ha hög termiskt expansionskoefficient, utmärkt termisk chockmotstånd, sinteringsmotstånd och korrosionsmotstånd [24]. För bindningslagret krävs det korrosionsmotstånd, oxidationsmotstånd, god bindningsstyrka och andra egenskaper [25-26].

Material i keramiskt lager

De stränga driftvillkoren för värmeskärmsbeläggning begränsar valet av dess material. För närvarande är de praktiskt användbara materialen för värmeskärmsbeläggning mycket begränsade, huvudsakligen YSZ-material och jordalkalimetoxid-dopade YSZ-material.

(1) yttrioksidstabiliserad zirkonia

För närvarande står ZrO2 ut bland keramiska material för sin höga smältpunkt, låg termisk ledningsförmåga, hög koefficient av termiskt utvidgningsvärde och god sprickspänningstålamhet. Men rent ZrO2 har tre kristallformer: monoklin (m) fas, kubisk (c) fas och tetragonell (t) fas, och rent ZrO2 är lätt att genomgå fasomvandlingar, vilket leder till volymförändringar som har negativa effekter på lagret livslängd. Därför doper man ofta ZrO2 med stabilisatorer som Y2O3, CaO, MgO och Sc2O3 för att förbättra dess fasstabilitet. Bland dessa har 8YSZ de bästa egenskaperna, det har tillräcklig hårdhet (~ 14 GPa), låg densitet (~ 6,4 Mg·m-3), låg termisk ledningsförmåga (~ 2,3 W·m-1 ·K-1 vid 1 000℃), hög smältpunkt (~ 2 700℃), hög koefficient av termiskt utvidgningsvärde (1,1×10-5 K-1) och andra utmärkta egenskaper. Därför används det som keramiskt lagermaterial i värmebarriärbeläggningar.

(2) Sällsynta jordoxider dopade YSZ

När YSZ arbetar i en miljö över 1 200 °C i lång tid inträffar vanligtvis fasövergång och sintering. Å ena sidan transformeras den icke-jämvikts tetragonala fasen t' till en blandning av kubisk fas c och tetragonalfas t, och under avkyling transformeras t' till monoklin fas m, och fasövergången pågår kontinuerligt med volymsändringarna, vilket orsakar snabb avsmältning av förlaget [27]. Å andra sidan minskar sinteringen porositeten i förlaget, vilket minskar dess värmoisolerande prestanda och spänningsförsiktighet, samtidigt som det ökar hårdheten och elastiska modulen, vilket påverkar förlagets prestanda och livslängd markant. Därför kan YSZ inte användas i nästa generations tunga gas-turbinmotorer.

I allmänhet kan prestationen av YSZ förbättras genom att ändra eller öka typen av stabilisator för zirkonia, till exempel metoden att dopa YSZ med självständiga jordmetalloxider [28-30]. Det har hittats att ju större radiusskillnaden mellan Zr-ioner och dopade ioner är, desto högre koncentration av defekter, vilket kan förbättra fononavsmetning och minska värmekonduktivitet [31]. CHEN et al. [32] använde APS för att förbereda en termisk barriärbeläggning keramiklager (LGYYSZ) med La2O3, Yb2O3 och Gd2O3 kodopad YSZ, och erhöll termisk expansionskoefficient och värmekonduktivitet av termiska barriärbeläggningar genom mätning och beräkning, och utförde en termisk cykeltest vid 1 400℃. Resultaten visar att jämfört med YSZ-beläggning har LGYYSZ-beläggningen lägre värmekonduktivitet, längre termisk cykel-livslängd och god fasstabilitet vid 1 500℃. Li Jia et al. [33] förberedde Gd2O3 och Yb2O3 kodopad YSZ-pulver genom kemisk kodroppningsmetod och förberedde Gd2O3 och Yb2O3 kodopad YSZ-beläggning med APS, och studerade påverkan av olika oxiddopningsmängder på fasstabiliteten för beläggningen. Resultaten visar att fasstabiliteten av Gd2O3 och Yb2O3 kodopad YSZ-beläggning är bättre än den traditionella 8YSZ-beläggningen. Fasen m-fas förekommer mindre efter värmebehandling vid hög temperatur när dopningsmängden är låg, och den stabila kubiska fasen produceras när dopningsmängden är hög.

Jämfört med den traditionella YSZ:n har det nya modifierade YSZ-keramikmaterialet lägre termisk ledningsförmåga, vilket gör att värmeskyddslaget har bättre värmoinsulationsprestationer och ger en viktig grund för forskningen om högpresterande värmeskyddslager. Dock är den övergripande prestationen av den traditionella YSZ bra, och det används vidare, och kan inte ersättas av någon modifierad YSZ.

Fogslagsmaterial

Kopplagret är mycket viktigt i den termiska barriärbeläggningen. Dessutom kan keramiklagret fastna tätt med alliansmatrisen, och den inre spänningen som orsakas av skillnaden i termiskt utvidgningskoefficient i beläggningen kan minskas. Dessutom kan termisk korrosionsmotstånd och oxidationsmotstånd för hela beläggningsystemet förbättras genom att bildning av en tät oxidfilm vid höga temperaturer, vilket förlänger livslängden på termiska barriärbeläggningar. För närvarande är materialet som används för kopplaget vanligtvis MCrAlY-allians (M är Ni, Co eller Ni+Co, beroende på användningen). Bland dessa används NiCoCrAlY ofta i tunga gasdrivna turbiner på grund av dess goda övergripande egenskaper såsom oxidations- och korrosionsmotstånd. I MCrAlY-systemet används Ni och Co som matriselement. På grund av Nis goda oxidationsegenskaper och Cos goda tröttemotstånd gör kombinationen Ni+Co (som oxidationsegenskaper och korrosionsmotstånd) det bra. Medan Cr används för att förbättra korrosionsmotståndet hos beläggningen, kan Al förstärka oxidationsegenskaperna hos beläggningen, och Y kan förbättra korrosions- och termoskyddsresistensen hos beläggningen.

Prestandan av MCrAlY-systemet är utmärkt, men det kan endast användas för arbete under 1 100℃. För att höja drifttemperaturerna har de relevanta tillverkarna och forskarna utfört mycket forskning om modifiering av MCrAlY-lager. Till exempel doping med andra legeringselement som W, Ta, Hf och Zr [34] för att förbättra prestandan på bindningslagret. YU et al. [35] sprayade ett värmebarrièrlager som bestod av Pt-modifierat NiCoCrAlY-bindningslager och nanostrukturerat 4 vikt% ytteriumstabiliserat zirkonia (4YSZ) keramiklager på den andra generationens nikelbaserade superlegeringen. Termisk cykelbeteende hos NiCoCrAlY-4YSZ-värmebarrièrlagret undersöktes i luft och effekten av Pt på bildningen och oxidationsmotståndet av TGO undersöktes vid 1 100℃. Resultaten visar att jämfört med Nicocraly-4YSZ är modifieringen av NiCoCrAlY med Pt fördelaktig för bildningen av α-Al2O3 och minskningen av TGO-växthastigheten, därmed förlänger livslängden på värmebarrièrlagret. GHADAMI et al. [36] förberedde en NiCoCrAlY-nanokompositlager genom supersonisk flammesprutning med nanoCEO2. NiCoCrAlY-nanokompositlagren med 0,5, 1 och 2 vikt% nanoCEO2 jämfördes med konventionella NiCoCrAlY-lager. Resultaten visar att NICocRALy-1 vikt% nano-CEO2-kompositlager har bättre oxidationstolerans, högre hårdhet och lägre porositet än andra konventionella NiCoCrAlY-lager och NiCoCrAlY nanokompositlager.

För närvarande kan, utöver MCrAlY-systemet som kan tillämpas på bindningslagret, även NiAl vara ett nyckelmaterial för bindningslager. NiAl består huvudsakligen av β-NiAl, vilket vid temperaturer över 1 200℃ bildar en kontinuerlig, tät oxidfilm på ytan av lagret och anses vara det mest potentialrika kandidatmaterialet för nästa generations metallbindningslager. Jämfört med MCrAlY och traditionella β-NiAl-lager har PT-modifierade β-NiAl-lager bättre oxidationstålighet och korrosionsbeständighet. Dock har den oxidfilm som bildas vid höga temperaturen dålig adhesion, vilket kommer att betydligt förkorta livslängden på lagret. Därför har forskare utfört dopningsmodifieringsstudier på NiAl för att förbättra dess egenskaper. Yang Yingfei et al. [37] förberedde NiCrAlY-lager, NiAl-lager, PT-modifierat NiAl-lager och Pt+Hf kodoppat NiAl-lager och jämförde oxidationståligheten hos dessa fyra lager vid 1 100℃. De slutgiltiga resultaten visar att Pt+Hf kodoppat NiAl-lager hade den bästa oxidationståligheten. Qiu Lin [38] förberedde NiAl-blockallieringar med olika Al-innehåll och β-NiAl-blockallieringar med olika Hf/Zr-innehåll genom vakuumboogsmältning och studerade effekten av Al, Hf och Zr på oxidationståligheten hos NiAl-allieringen. Resultaten visade att oxidationståligheten hos NiAl-allieringen ökade med ökat Al-innehåll, och att tillägget av Hf/Zr i β-NiAl-allieringen var fördelaktigt för att förbättra oxidationståligheten, med optimala dopningsmängder på 0,1 at.% respektive 0,3 at.%. LI et al. [39] förberedde en ny sällsynt-jord modifierad β- (Ni, Pt) Al-lager på Mo-rik Ni2Al-baserad superalliering genom elektrodeposition och lågaktivitetens alumineringsteknik och jämförde sällsynt-jord modifierad β- (Ni, Pt) Al-lager med traditionell β- (Ni, Pt) Al-lager. Isothermal oxidation beteende av Pt) Al-lager vid 1 100℃. Resultaten visar att sällsynta jordmetaller kan förbättra oxidationståligheten hos lagret.

Sammanfattningsvis har MCrAlY- och NiAl-kaminer sina egna fördelar och nackdelar, så forskare bör fortsätta med modifieringsforskning baserat på dessa två kaminmaterial, på jakt efter utvecklingen av nya metallbindningslagervaterial, så att driftstemperaturen för den termiska barriärkaminen i tunga gasdrivna turbiner kan bli högre.