ความคืบหน้าในการวิจัยและแนวโน้มการพัฒนากังหันก๊าซงานหนักและการเคลือบป้องกันความร้อน (3) ประเทศไทย

2.1 การเตรียมการเคลือบป้องกันความร้อน

โครงสร้างจุลภาคของสารเคลือบป้องกันความร้อนไม่เพียงแต่ส่งผลต่อฉนวนกันความร้อน ความต้านทานการเกิดออกซิเดชัน และคุณสมบัติอื่นๆ ของสารเคลือบเท่านั้น แต่ยังกำหนดอายุการใช้งานของสารเคลือบอีกด้วย โครงสร้างจุลภาคของสารเคลือบป้องกันความร้อนขึ้นอยู่กับไม่เพียงแต่วัสดุที่ใช้เท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับกระบวนการเตรียมสารเคลือบด้วย ดังนั้น การเลือกกระบวนการเตรียมสารที่เหมาะสมตามข้อกำหนดการเตรียมสารเคลือบป้องกันความร้อนจึงมีความสำคัญเช่นกัน มีหลายวิธีในการเตรียมสารเคลือบป้องกันความร้อน แต่โดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็น 40 ประเภท ได้แก่ วิธีการพ่นความร้อน และอีกประเภทหนึ่งคือวิธีการสะสมไอทางกายภาพ โดยวิธีการพ่นความร้อนส่วนใหญ่ประกอบด้วยวิธีการพ่นความเร็วเหนือเสียง วิธีการพ่นพลาสมา วิธีการพ่นระเบิด เป็นต้น สารเคลือบที่เตรียมโดยการพ่นความร้อนจะเป็นแบบแผ่น ส่วนวิธีการสะสมไอทางกายภาพนั้นส่วนใหญ่จะเป็นการสะสมไอทางกายภาพด้วยลำแสงอิเล็กตรอน (EB-PVD) และสารเคลือบที่เตรียมจะเป็นแบบคอลัมน์ ชั้นเซรามิกของสารเคลือบป้องกันความร้อนมักใช้โดยการสะสมไอทางกายภาพด้วยลำแสงอิเล็กตรอน การพ่นพลาสมาในบรรยากาศ และวิธีอื่นๆ ชั้นพันธะโลหะใช้เทคโนโลยีการพ่นความร้อนเป็นหลัก เช่น การพ่นพลาสมาในบรรยากาศ (APS) การพ่นพลาสมาแรงดันต่ำ (LPPS) และการพ่นเปลวไฟความเร็วเหนือเสียง (HVOF) [XNUMX] จนถึงปัจจุบัน APS และ EB-PVD เป็นวิธีหลักในการเตรียมสารเคลือบป้องกันความร้อนของกังหันแก๊ส

2.1.1 การพ่นพลาสม่าในบรรยากาศ

APS คืออาร์กไฟฟ้ากระแสตรงชนิดหนึ่งที่สร้างขึ้นโดยปืนฉีดพ่นเพื่อแปลง Ar, He, N2 และก๊าซอื่นๆ ให้เป็นเจ็ตพลาสมา เพื่อให้สามารถให้ความร้อนผงเซรามิกและผงโลหะที่ขนส่งโดยก๊าซพาหะได้อย่างรวดเร็วและหลอมละลายเป็นอนุภาคที่หลอมละลายหรือกึ่งหลอมละลาย เทคโนโลยีในการสร้างการเคลือบบนพื้นผิวของเมทริกซ์ซูเปอร์อัลลอยด์โดยการกระทบด้วยพลังงานจลน์ขนาดใหญ่ (80 ~ 300 m/s) ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า [42] การเคลือบป้องกันความร้อนที่เตรียมโดยเทคโนโลยี APS ประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมากที่ซ้อนกัน และเมทริกซ์จะยึดติดทางกลกับโครงสร้างจุลภาคของแผ่นโลหะเป็นหลัก ซึ่งมีข้อบกพร่องจำนวนมากขนานกับเมทริกซ์อัลลอยด์ เช่น รูพรุนและรอยแตกร้าวขนาดเล็ก (ดังที่แสดงในรูปที่ 2) สาเหตุของการก่อตัวมีดังนี้: ภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง เซรามิกหรือโลหะจะหลอมละลายจนกลายเป็นอนุภาคหลอมเหลว และจะมีก๊าซในอากาศบางส่วน แต่ความเร็วในการทำความเย็นของสารเคลือบนั้นเร็วมาก ซึ่งจะทำให้ก๊าซที่ละลายในอนุภาคหลอมเหลวในกระบวนการสะสมไม่สามารถตกตะกอนได้ทันเวลา และจากนั้นจึงเกิดรูพรุน ในขณะเดียวกัน การยึดเกาะที่ไม่เพียงพอระหว่างอนุภาคหลอมเหลวยังทำให้เกิดรูพรุนและรอยแตกร้าวในสารเคลือบอีกด้วย ดังนั้น หากใช้ APS ในการเตรียมสารเคลือบป้องกันความร้อน ความพรุนของ APS จะสูงและมีประสิทธิภาพในการเป็นฉนวนความร้อนที่ดี แต่ข้อเสียคือ ทนต่อความเครียดไม่เพียงพอและทนต่อแรงกระแทกจากความร้อนได้ไม่ดี [43] และส่วนใหญ่ใช้สำหรับชิ้นส่วนที่มีสภาพแวดล้อมการทำงานที่ดี นอกจากนี้ APS ยังมีราคาถูกในการเตรียม จึงสามารถนำไปใช้กับชิ้นส่วนขนาดใหญ่ได้

2.1.2 การสะสมไอทางกายภาพของลำแสงอิเล็กตรอน

EB-PVD เป็นเทคโนโลยีที่ใช้ลำแสงอิเล็กตรอนที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงในการให้ความร้อนแก่ผงเคลือบในห้องสูญญากาศและสร้างแอ่งหลอมเหลวบนพื้นผิวของผงเพื่อทำให้ผงเซรามิกระเหยและตกตะกอนบนพื้นผิวของพื้นผิวในสถานะอะตอมเพื่อสร้างการเคลือบป้องกันความร้อน [45] ดังแสดงในรูปที่ 3 โครงสร้างของการเคลือบ EB-PVD เป็นโครงสร้างผลึกคอลัมน์ที่ตั้งฉากกับเมทริกซ์โลหะผสม และการเคลือบและเมทริกซ์นั้นยึดติดโดยโลหะเป็นหลัก พื้นผิวไม่เพียงแต่เรียบ แต่ยังมีความหนาแน่นที่ดีอีกด้วย จึงมีความแข็งแรงในการยึดติดสูง ทนทานต่อความเครียด และทนต่อแรงกระแทกจากความร้อน ส่วนใหญ่ใช้กับชิ้นส่วนที่มีสภาพแวดล้อมการทำงานที่รุนแรง เช่น ใบพัดของกังหันก๊าซ อย่างไรก็ตาม ต้นทุนในการเตรียมการเคลือบ EB-PVD นั้นแพง และสามารถเตรียมการเคลือบที่บางได้เท่านั้น และขนาดโครงสร้างของชิ้นส่วนก็มีข้อกำหนดบางประการ ดังนั้นจึงไม่ค่อยได้ใช้ในกังหันก๊าซ

กระบวนการเตรียมสองขั้นตอนข้างต้นนั้นได้รับการพัฒนามาเป็นอย่างดี แต่ยังคงมีปัญหาบางประการอยู่ ดังที่แสดงในตารางที่ 2 ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยที่เกี่ยวข้องได้ปรับปรุงและสร้างวิธีการเตรียมสารเคลือบป้องกันความร้อนใหม่ๆ อย่างต่อเนื่อง ในปัจจุบัน ในบรรดาวิธีการเตรียมสารเคลือบป้องกันความร้อนใหม่ๆ ที่ใช้กันทั่วไปนั้น วิธีการที่โดดเด่นที่สุดคือเทคโนโลยีการสะสมไอทางกายภาพด้วยการพ่นพลาสมา (PS-PVD) ซึ่งได้รับการยอมรับว่าเป็นวิธีเตรียมสารเคลือบป้องกันความร้อนที่มีแนวโน้มดีและมีประสิทธิภาพมากที่สุดวิธีหนึ่ง

2.1.3 การพ่นพลาสมาการสะสมไอทางกายภาพ

เทคโนโลยี PS-PVD ได้รับการพัฒนาบนพื้นฐานของการพ่นพลาสมาแรงดันต่ำ โครงสร้างการเคลือบที่เตรียมโดยวิธีนี้คือกลุ่มควันและคอลัมน์ และรูพรุนในสารเคลือบมีจำนวนมากและช่องว่างมีขนาดใหญ่ ดังแสดงในรูปที่ 4 ดังนั้น เทคโนโลยี PS-PVD จึงช่วยปรับปรุงปัญหาฉนวนกันความร้อนของสารเคลือบ EB-PVD ที่ไม่เพียงพอและความต้านทานการกระแทกจากความร้อนต่ำของสารเคลือบ APS และสารเคลือบกั้นความร้อนที่เตรียมโดยเทคโนโลยี PS-PVD มีความแข็งแรงในการยึดเกาะสูง มีประสิทธิภาพในการฉนวนกันความร้อนดีและทนต่อการกระแทกจากความร้อนได้ดี แต่สารเคลือบกั้นความร้อน CMAS มีความต้านทานการกัดกร่อนต่ำ จากพื้นฐานนี้ ZHANG และคณะ [41] เสนอวิธีการปรับเปลี่ยนสารเคลือบกั้นความร้อน PS-PVD 7YSZ ด้วย Al2O3 ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าความต้านทานการเกิดออกซิเดชันและความต้านทานการกัดกร่อน CMAS ของสารเคลือบกั้นความร้อน 7YSZ ที่เตรียมโดยเทคโนโลยี PS-PVD สามารถปรับปรุงได้โดยการดัดแปลงอะลูมิไนซ์