Forskningsframsteg och utvecklingstrend för tunga gasodlare och deras vedertillfälliga barrierbelagningar (4)

Nötkedjegenskaper hos gasturbiners termiska barrierskikt

Eftersom arbetet med stationära tunga gasturbiner vanligtvis äger rum i en komplext miljö och underhållscykeln är lång, kan den uppnå så mycket som 50,000 timmar. Därför, för att förbättra gasturbinernas värmeskärmskotningsteknik och förlänga livslängden av värmeskärmskotningen, har forskare under de senaste åren utfört mycket forskning om de nyckelegenskaperna hos värmeskärmskotningen, såsom värmeisoleringsförmåga, oxidationsmotstånd, termiskt chockmotstånd och CMAS-korrosionsmotstånd. Bland dessa är forskningarna och framstegen inom värmeisoleringsförmåga, oxidationsmotstånd och termiskt chockmotstånd relativt tillräckliga, men motståndet mot CMAS-korrosion är relativt sparsamt. Samtidigt har CMAS-korrosion blivit en av de största felmoderna för värmeskärmskotningar, vilket hindrar utvecklingen av nästa generation av högpresterande gasturbiner. Därför introducerar denna sektion först kort de egenskaper som rör värmeisoleringsförmåga, oxidationsmotstånd och termiskt chockmotstånd hos värmeskärmskotningar, och fokuserar sedan på forskningsframstegen beträffande CMAS-korrosionsmekanismen och skyddstekniken för värmeskärmskotningar i avsnitt 4.

Värmeisolerande egenskap

Med utvecklingen av industrin har högpresterande gasvturbiner ställt högre krav på turbinindtags temperatur. Därför är det mycket viktigt att förbättra den termiska isolationen av den termiska barriärbeläggningen. Termisk isolation hos den termiska barriärbeläggningen hänger samman med beläggningens material, struktur och tillverkningsprocess. Dessutom påverkar också driftmiljön för den termiska barriärbeläggningen dess isolerande prestanda.

Termisk ledningsförmåga används vanligen som utvärderingsindex för den termiska isoleringsprestationen av värmeskyddslager. Liu Yankuan och kollegor [48] förberedde ett 2 mol.% Eu3+ dopat YSZ-lager med APS och jämförde det med ett vanligt YSZ-lager. Resultaten visade att den termiska ledningsförmågan för 2 mol.% Eu3+ dopat YSZ-lager var lägre, vilket innebär att dess termiska isolering var bättre. Det har hittats att de rymdliga och geometriska egenskaperna hos porerna i lagret påverkar termisk ledningsförmåga starkt [49]. SUN och kollegor [50] utförde en jämförande studie om den termiska ledningsförmågan och elastiska modulen för värmeskyddslager med olika porstrukturer. Resultaten visar att den termiska ledningsförmågan och elastiska modulen för värmeskyddslagret minskar med minskningen av poresstorleken, och ju högre porositet, desto lägre termisk ledningsförmåga. En mängd forskning har visat att APS-lager har bättre termisk isolering än EB-PVD-lager, eftersom APS-lager har högre porositet och lägre termisk ledningsförmåga [51]. RATZER-SCHEIBE och kollegor [52] studerade effekten av tjockleken på den termiska ledningsförmågan för EB-PVD PYSZ-lager, och resultaten visade att lagerthicketsen påverkade starkt dess termiska ledningsförmåga, dvs. tjockleken var också en av de viktigaste faktorerna som påverkar isoleringsegenskaperna hos värmeskyddslagret. Forskningsresultaten från Gong Kaisheng och kollegor [53] visar också att inom tjockleksintervallet för praktiskt lagranvändning är isoleringsegenskaperna proportionella mot dess tjocklek och temperaturskillnad i miljön. Även om den termiska isoleringsegenskapen för värmeskyddslagret förstärks med ökad tjocklek, när lagret fortsätter att tjockna till en viss värde, kan det orsaka spänningskoncentration i lagret, vilket leder till tidigare misslyckanden. Därför bör lagretjockleken regleras rimligt för att förstärka isoleringsegenskaperna och förlänga dess livslängd.

Oxidationsresistens

Under förutsättning av högtemperaturoxidation bildas en TGO-lager lätt i det termiska barrierskiktet. Påverkan av TGO på det termiska barrierskiktet [54] har två sidor: Å ena sidan kan det bildade TGO förhindra att syre fortsätter att diffundera inåt och minska den externa påverkan på oxidationen av alliansmatrisen. Å andra sidan, med den kontinuerliga förtjockningen av TGO, på grund av dess stora elastiska modul och den stora skillnaden mellan dess termiska expansionskoefficient och klistringslagret, är det också relativt enkelt att producera stor spänning under svalningsprocessen, vilket kommer att göra att skiktet faller av snabbt. Därför är det nödvändigt att förbättra oxidationsmotståndet hos skiktet för att förlänga livslängden på det termiska barrierskiktet.

XIE et al. [55] studerade bildnings- och växelbeteendet hos TGO, vilket huvudsakligen delades in i två faser: först, ett tätt α -Al2O3-film bildades på den bindningslager, och sedan bildades en porös blandad oxid mellan keramiklagret och α -Al2O3. Resultaten visar att det huvudsakliga ämnet som orsakar sprickor i den termiska barriärbeläggningen är den porösa blandade oxiden i TGO, inte α -Al2O3. LIU et al. [56] föreslog en förbättrad metod för att simulera tillväxthastigheten av TGO genom numerisk analys av spänningsutvecklingen i två faser, för att på ett precist sätt kunna förutsäga livslängden hos värmeskärmsbeläggningar. Därför kan tjockleken av TGO effektivt kontrolleras genom att kontrollera tillväxthastigheten av porösa skadliga blandade oxidter. På så sätt kan tidigare misslyckanden med värmeskärmsbeläggningar undvikas. Resultaten visar att tillväxten av TGO kan försenas genom användning av dubbelkeramiska värmeskärmsbeläggningar, avlagering av skyddslager på ytan av beläggningen och förbättring av tätheten på beläggningens yta, och oxidationstålheten hos beläggningen kan förbättras till viss del. AN et al. [57] använde APS-tekniken för att förbereda två typer av värmeskärmsbeläggningar: Bildnings- och tillväxtbeteendet hos TGO studerades genom isoterma oxidationstester vid 1 100 ℃ . Den första är YAG/YSZ dubbel keramisk barriärbeläggning (DCL TBC) och den andra är YSZ enkel keramisk barriärbeläggning (SCL TBC). Forskningsresultaten visar att bildnings- och tillväxtn processen av TGO följer lagarna för termodinamik, som visas i figur 5: Enligt formler (1) ~ (8), bildas Al2O3 först, och sedan oxideras Y-ionerna till en extremt tunn lager av Y2O3 på ytan av Al2O3 TGO, och de båda reagerar med varandra för att bilda Y3Al5O12. När Al-ionen reduceras till ett viss värde, oxideras andra metallelement i bindningslagret innan och efter, vilket bildar blandade oxider (Cr2O3, CoO, NiO och spineloxider etc.), först bildas Cr2O3, CoO, NiO, och sedan reagerar dessa med (Ni, Co) O och Al2O3 för att bilda (Ni, Co) Al2O4. (Ni, Co) O reagerar med Cr2O3 för att bilda (Ni, Co) Al2O4. Jämfört med SCL TBC, är bildnings- och tillväxt hastigheten av TGO i DCL TBC långsammare, så det har bättre högtemperaturoxidationsresistens. Xu Shiming et al. [58] använde magnetronsputtering för att avlagra en film på ytan av 7YSZ-beläggningen. Efter värmebehandling, α -Al2O3-lageret genererades genom in situ-reaktion. Studien visade att α -Al2O3-lageret som bildades på ytan av förmånslaget kunde förbättra oxidationsmotståndet hos förmånslaget genom att förhindra diffusionen av syreioner. FENG et al. [59] visade att lasersmältning av APS YSZ-förmånslagets yta kan förbättra oxidationsmotståndet hos förmånslaget, huvudsakligen eftersom lasersmältning kan förbättra förmånslagets täthet, därmed försena tillväxten av TGO.

Motstånd mot värmeskott

När de varma slutkomponenterna i tunga gasdrivna turbiner är i drift i en högtemperaturmiljö drabbas de ofta av termisk chock orsakad av snabba temperaturförändringar. Därför kan legeringsdelen skyddas genom att förbättra termiska chockegenskaperna hos den termiska barriärbeläggningen. Termiska chockegenskaperna hos den termiska barriärbeläggningen testas vanligtvis med termisk cykeltest (termisk chocktest), där beläggningen hålls vid hög temperatur i en viss tid och sedan tas bort för luft/vattenkylning, vilket utgör en termisk cykel. Termiska chockegenskaperna hos den termiska barriärbeläggningen utvärderas genom att jämföra antalet termiska cyklar som beläggningen har gått igenom när den misslyckas. Studier har visat att termiska chockegenskaperna hos gradientstrukturade termiska barriärbeläggningar är bättre, huvudsakligen på grund av att tjockleken på gradientstrukturade termiska barriärbeläggningar är mindre, vilket kan försena termiska spänningar i beläggningen [60]. ZHANG et al. [61] utförde termiska cykeltester vid 1 000 ℃ på de tre former av fläckar, streck och rutnätsthermiska barriärbeläggningar som erhölls genom laseromsmältning av NiCrAlY / 7YSZ-termaalning, och studerade termiskt chockmotstånd hos sprutade provstickor och tre prover med olika former efter lasersbehandling. Resultaten visar att fläcksprovet har det bästa termiska chockmotståndet och den termiska cykel-livet är dubbelt så långt som för sprutade prover. Däremot är termiskt chockmotståndet för streck- och rutnätsproven sämre än för sprutade prover, som visas i figur 6. Dessutom har en mängd studier visat att vissa nya beläggningsmaterial har bra termiskt chockmotstånd, såsom SrAl12O19 [62] föreslagen av ZHOU et al., LaMgAl11O19 [63] föreslagen av LIU et al., och Sm2 (Zr0.7Ce0.3) 2O7 [64] föreslagen av HUO et al. Därför, för att förbättra termiskt chockmotstånd hos termiska barriärbeläggningar, utöver strukturell design och optimering av beläggningen, är det möjligt att hitta och utveckla nya material med bra termiskt chockmotstånd.