Pag-unlad ng pananaliksik at trend ng pag-unlad ng mga heavy-duty na gas turbines at ang kanilang mga thermal barrier coatings (2)

Kubierta kontra init

Likas na kahalagahan ng pagsusuri sa kubierta kontra init

Mula nang matagumpayang ipatupad ang unang gas turbine noong 1920, laging mayroon itong sentral na papel sa larangan ng paggawa ng kuryente at drive. Sa dagdag din, kasama ng pag-unlad ng industriyal na teknolohiya, patuloy na nagpapabuti ang antas ng teknikal na kapansin-pansin ng mga heavy-duty gas turbines, at pumipigil na kung paano mapapabuti ang efisiensiya ng mga heavy-duty gas turbines. Ang turbine blade ay isa sa mga mahalagang bahagi ng sistema ng pagsusunog ng heavy-duty gas turbine. Ang pagtaas ng temperatura ng turbine inlet ay maaaring makamit ang pagpapabuti ng efisiensiya ng heavy-duty gas turbine. Kaya naman, dapat humingi ang mga nauugnay na mananaliksik upang taasin ang temperatura ng turbine inlet. Upang tugunan ang dumadagang demand para sa temperatura ng operasyon ng kinabukasan ng mabilis na gas turbines, karaniwang sinuspray ang thermal barrier coatings sa ibabaw ng mga komponente ng init.

Noong 1953, ang konsepto ng thermal barrier coating ay unang ipinakilala ng NASA-Lewis Research Institute sa Estados Unidos [13], na ang ceramic coating ay isinasabog sa ibabaw ng mga parte na gumagana sa mataas na temperatura gamit ang thermal spraying technology upang magbigay ng antas ng init at proteksyon, bumaba ang temperatura ng ibabaw ng kutsilyo, bawasan ang paggamit ng fuel ng motor, at pahabain ang buhay ng serbisyo ng kutsilyo. Ang thermal barrier coating ay madalas na ginagamit sa mga komponente ng mainit na bahagi ng industriyal na gas turbines at aeroengines (turbine blades at combustion chambers, atbp.) dahil sa kanilang napakatanging katangian tulad ng mababang gastos sa paghahanda at mabuting proteksyon sa init, at ito ay kinikilala sa pandaigdigang lebel bilang isang pinakamataas na teknolohiya para sa paggawa ng malalaking gas turbine.

Sistematikong estruktura ng thermal barrier coating

• Sa pamamagitan ng pag-unlad at pagbabago ng agham at teknolohiya, ang inlet temperatura ng gas turbines ay lumalaki nang higit pa. Upang maabot ang mas mahusay na epekto ng panatilihin ang init ng thermal barrier coating, pinakatuunan ng karamihan sa mga pagsisiyasat sa buong mundo ang disenyo ng estraktura ng thermal barrier coating, na sapat na ipinapakita ang kahalagahan ng anyo ng thermal barrier coating [14]. Ayon sa iba't ibang anyo ng coating, maaaring ibahagi ito sa dalawang layer, multi-layer, at gradient structure [15].
• Sa kanilang gitna, ang dalawang-latahong thermal barrier coating na binubuo ng ceramikong layer at bond layer, bilang ang pinakagawa-gawang at mas matatandaang thermal barrier coating sa lahat ng mga anyo ng coating, ay napakalawak nang ginamit sa teknolohiya ng thermal barrier coating. Sa kanilang gitna, ang pinakamaraming ginagamit na dalawang-latahong anyo ng thermal barrier coating ay gumagamit ng 6 wt.% ~ 8 wt.% yttrium stabilized zirconia (6-8YSZ) bilang material ng panlabas na ceramiko, at MCrAlY (M=Ni, Co, Ni+Co, pati na iba pa) alloy bilang material ng metal bonding layer [16]. Gayunpaman, dahil sa hindi pagkakasundo ng thermal expansion coefficient ng ceramikong layer at metal bonding layer, madali itong magbigay ng stress sa coating at magsabog ng maaga ang coating.
• Upang mapabuti ang pagganap ng thermal barrier coating, hinanda ng mga mananaliksik ang isang multilayer structural thermal barrier coating na may kumplikadong estraktura (kompositong coating), na tila, maraming layo ng insulasyon at barrier layers ay nadagdag sa pamamagitan ng double-layer structural thermal barrier coating, karaniwan ay limang layo. Sa kanila, ang pinakamaraming nailimbag na blocking layers ay pangunahing kasama ang Al2O3, NiAl, atbp. [17]. Ginamit ni FENG at iba pa [18] ang APS upang hihanda ang YSZ thermal barrier coating at LZ/YSZ thermal barrier coating (La2Zr2O7 / ZrO2-Y2O3 double ceramic layer thermal barrier coating), at ginamit ang laser remelting technology upang muli nang imelt ang ibabaw ng coating, at pagkatapos ay inilapat ang mataas na temperatura oxidation test sa 1 100℃. Ang mga resulta ay ipinakita na kumpara sa YSZ thermal barrier coating, mas mabuting resistensya sa oksidasyon ang mayroon sa LZ/YSZ double ceramic thermal barrier coating. Bagaman ang pagganap ng multilayer thermal barrier coating ay mas maganda kaysa sa double-layer thermal barrier coating, mas kumplikado ang kanyang estraktura at pamproseso ng paghahanda, at mas mababa ang kanyang thermal shock resistance, kaya ito ay limitado sa praktikal na aplikasyon. Kaya't dumating ang gradient structure thermal barrier coating.
• Ang gradient na anyo ng thermal barrier coating ay nakikilala sa tuloy-tuloy na pagbabago ng komposisyon at anyo sa direksyon ng kapaligiran ng coating, na nagreresulta sa hindi malinaw na interface ng interlayer. Kumpara sa double-layer at multi-layer na anyo, ang gradient na anyo ng thermal barrier coating ay hindi lamang may kagalingan sa thermal shock resistance, kundi pati na rin ay nagpapakita ng tuloy-tuloy na pagbabago sa mga characteristics, kaya ito ay may characteristics ng thermal stress relief at maaaring gamitin sa mahirap na mataas na temperatura na kapaligiran. Sinuri ni Gawa ang mga pangunahing teknolohiya ng thermal spraying para sa functionally graded thermal barrier coatings. Bagaman may iba't ibang pamamaraan ng paghahanda, ang gradient na anyo ng thermal barrier coating ay masama sa praktika dahil sa kanyang komplikadong proseso ng paghahanda, mahirap kontrolin ang mga anyo ng estraktura at mataas na gastos.
• Sa karatula, ang dalawang-layert na terma barrier coating ay madalas gamitin at ang proseso ay matinig, at patuloy itong pinili bilang anyo ng terma barrier coating. Ang ceramic layer at bonding layer [20] ay ipinaputol sa alloy matrix gamit ang terma spraying technology. Sa mga kondisyon ng mataas na temperatura oksidasyon, isang mababang lapis ng heat-grown oxide ay nabubuo sa ibabaw ng bonding layer pagkatapos ng oksidasyon, tulad ng ipinapakita sa Figure 1. Sa kanila, ang alloy matrix, bilang komponenteng pinoprotektahan ng thermal barrier coating, maaaring magbigay ng papel sa pagsasaalang-alang ng panlabas na mekanikal na lohikal, at ang anyo nito ay pangunahing nickel based superalloy na may kakayahang magtago sa mataas na temperatura at oksidasyon. Ang papel ng bonding layer ay palakasin ang bonding puwersa sa pagitan ng ceramic layer at alloy matrix, ang kalatayan ay pangkaraniwan 50 ~ 150µm, at ang anyo ay karaniwang napiling MCrAlY (M=Ni/Co/Ni+Co), na may maliit na pagkakaiba sa terma expansion coefficient ng alloy matrix. Terma growth oxide (TGO) ay pangunahing uri ng α-Al2O3 na maling film na nabubuo sa pagitan ng ceramic layer at bond layer sa mataas na temperatura oksidasyon environment, na may kalatayan ng 1 ~ 10 µm, na may malaking epekto sa coating. Ang ceramic layer ay may kakayahang heat insulation, korosyon resistance at impact resistance [21], ang kalatayan ay karaniwang 100 ~ 400 μm, at ang anyo ay pangunahing 6-8YSZ na may mababang terma conductivity at kumpletong mataas na coefficient of thermal expansion [22].

Mga materyales ng thermal barrier coating

Ang temperatura ng inlet ng turbine blade ay maituturing na malapit sa kanyang epektyibidad sa paggawa. Lamang sa pamamagitan ng pagtaas ng temperatura ng inlet ng turbine blade maaaring angkopin ang epektyibidad sa paggawa. Gayunpaman, kasama ng pag-unlad ng agham at teknolohiya at industriya, patuloy umuusbong ang temperatura ng paggawa ng mga parte ng mainit na dulo ng mga hebidong gas turbines, at ang limitasyon ng temperatura ng alloy na nika-base na turbine blade ay 1150℃, na hindi na makakapagtrabaho sa mas mataas na temperatura. Kaya't napakahalaga ng hanapin at pag-unlad ng mga anyo ng thermal barrier coating na may mahusay na katangian. Sa kanila, dahil sa malubhang kondisyon ng serbisyo ng thermal barrier coating, mas matinding ang mga kondisyon ng pagsasalin ng anyo ng thermal barrier coating sa tunay na proseso. Karaniwan ang kinakailangang may mababang konduktibidad ng init at mataas na punto ng pagmimelte para sa ceramic layer materials, at hindi madaling magdulot ng pagbabago ng fase sa saklaw mula sa temperatura ng silid hanggang sa temperatura ng serbisyo, at dinadama rin ang kinakailangang mataas na koepisyente ng ekspansiyon ng init, natatanging resistensya sa termal na shock, resistensya sa sintering at resistensya sa korosyon [24]. Kinakailangan ang bonding layer material na may resistensya sa korosyon, resistensya sa oksihasyon, mabuting lakas ng pagkakabit at iba pang katangian [25-26].

Materyales ng kapanaligang seramiko

Ang mga malubhang kondisyon sa serbisyo ng thermal barrier coating ay naglilimita sa pagsasanay ng mga materyales nito. Sa kasalukuyan, ang mga materyales ng thermal barrier coating nakoponente para sa praktikal na aplikasyon ay napakaliit lamang, pangunahin ang mga YSZ at mga materyales ng YSZ na dinala ng rare earth oxide.

(1) zirconia na estabilidado ng okside ng itrio

Sa kasalukuyan, sa mga anyong keramiko, nanganganib ang ZrO2 dahil sa mataas na punto ng pagmelt, mababang kondukibilidad ng init, mataas na koopya ng ekspansyon ng init at mabuting katatagan laban sa pagsisira. Gayunpaman, ang mura na ZrO2 ay may tatlong anyo ng kristal: ang fase ng monoclinic (m), ang fase ng cubic (c) at ang fase ng tetragonal (t), at madali ang mura na ZrO2 na umuwihi sa ibang fase, na nagiging sanhi ng pagbabago ng volumen, na may negatibong epekto sa buhay ng coating. Kaya't madalas na dinedoping ang ZrO2 ng mga stabilizer tulad ng Y2O3, CaO, MgO at Sc2O3 upang mapabuti ang kanyang estabilidad ng fase. Sa kanila, ang 8YSZ ang may pinakamahusay na pagganap, May sapat na kagubatan (~ 14 GPa), mababang densidad (~ 6.4 Mg·m-3), mababang kondukibilidad ng init (~ 2.3 W·m-1 ·K-1 sa 1 000℃), mataas na punto ng pagmelt (~ 2 700℃), mataas na koopya ng ekspansyon ng init (1.1×10-5 K-1) at iba pang napakabagong mga katangian. Kaya, bilang anyo ng material ng layer ng keramika, ito'y madalas gamitin sa thermal barrier coatings.

(2) Rare earth oxides doped YSZ

Kapag ang YSZ ay gumagana sa isang kapaligiran na higit sa 1 200 °C sa isang mahabang panahon, madalas na nangyayari ang pagbabago ng fase at sintering. Sa isang bahagi, ang di-kakailangang tetragonal na fase t' ay nagiging isang halongan ng kubiko c at tetragonal na fase t, at habang nagpapababa ng temperatura, ang t' ay nagiging monoclinic na fase m, at ang pagbabago ng fase ay patuloy na nangyayari kasama ang pagbabago ng volumen, kung kaya't mabilis na bumabagsak ang coating [27]. Sa kabilang bahagi, ang sintering ay pinaikli ang porosidad sa coating, pinaikli ang thermal insulation at strain tolerance ng coating, at tinataas ang kagubatan at elastic modulus, na malaki ang epekto sa pagganap at buhay ng coating. Kaya't hindi maaaring ipamigay ang YSZ sa susunod na henerasyon ng mga heavy-duty gas turbine engine.

Sa pangkalahatan, maaaring angkopin ang pagganap ng YSZ sa pamamagitan ng pagbabago o pagdami ng uri ng stabilizer ng zirconia, tulad ng paraan ng doping ng YSZ gamit ang mga red earth oxide [28-30]. Nakita na ang lalo lumalaking saklaw sa pagitan ng radius ng mga Zr ions at ng doped ions, ang higit na mataas na konsentrasyon ng mga defektong pwedeng angkopin ang pagpapalakas ng phonon at bawasan ang kondutibidad ng init [31]. Si CHEN at iba pa [32] ay ginamit ang APS upang handahandaan ang thermal barrier coating ceramic layer (LGYYSZ) na may La2O3, Yb2O3 at Gd2O3 co-doped YSZ, at hinanap ang thermal expansion coefficient at kondutibidad ng init ng thermal barrier coating sa pamamagitan ng pagsukat at pagsusuri, at inilapat ang thermal cycle test sa 1 400℃. Ang mga resulta ay ipinakita na kumpara sa YSZ coating, mas mababa ang kondutibidad ng init ng LGYYSZ coating, mas mahabang thermal cycle buhay, at mabuting stabilitas ng fase sa 1 500℃. Si Li Jia at iba pa [33] ay handahandaan ang Gd2O3 at Yb2O3 co-doped YSZ powder gamit ang chemical co-precipitation method at handahandaan ang Gd2O3 at Yb2O3 co-doped YSZ coating gamit ang APS, at pinag-aralan ang epekto ng iba't ibang dami ng doping oxide sa stabilitas ng fase ng coating. Ang mga resulta ay ipinakita na mas mabuting stabilitas ng fase ang Gd2O3 at Yb2O3 co-doped YSZ coating kaysa sa tradisyonal na 8YSZ coating. Mas maliit ang fase m phase matapos ang pagproseso ng init sa mainit kapag mababa ang dami ng doping, at nagbubuo ng estableng cubic phase kapag mataas ang dami ng doping.

Kumpara sa tradisyonal na YSZ, ang bagong binago na materyales ng keramiko ng YSZ ay may mas mababang kapasidad ng termal na kunduktor, na nagiging sanhi para mas mabuting pagganap ng termal na insulasyon ng coating, at nagbibigay ng mahalagang pundasyon para sa pagsisiyasat ng mataas na kapadalan ng termal na barrier coating. Gayunpaman, ang komprehensibong pagganap ng tradisyonal na YSZ ay mabuti, at ito ay madalas na ginagamit, at hindi maaring palitan ng anumang binago na YSZ.

Materyales ng bonding layer

Ang layer ng pagkakabit ay napakahalaga sa thermal barrier coating. Sa dagdag pa, maaaring malapit na makabitang ang ceramic layer sa alloy matrix, at mabawasan ang panloob na presyon na sanhi ng mismatch sa thermal expansion coefficient sa loob ng coating. Sa dagdag pa, maaaring mapatuyo ang resistensya sa thermal corrosion at oxidasyon ng buong sistema ng coating sa pamamagitan ng pagsisimula ng isang makinang oxide film sa mataas na temperatura, kung gayon ay maipanatili ang buhay ng thermal barrier coating. Sa kasalukuyan, ang materyales na ginagamit para sa bonding layer ay madalas na MCrAlY alloy (M ay Ni, Co o Ni+Co, depende sa paggamit). Sa kanila, ang NiCoCrAlY ay madalas na ginagamit sa mga heavy-duty gas turbines dahil sa kanilang magandang kabuuan ng katangian tulad ng resistensya sa oxidasyon at korosyon. Sa sistema ng MCrAlY, ang Ni at Co ay ginagamit bilang matrix elements. Dahil sa magandang resistensya sa oxidasyon ng Ni at magandang resistensya sa pagod ng Co, ang kabuuang katangian ng Ni+Co (tulad ng resistensya sa oxidasyon at korosyon) ay mabuti. Habang ang Cr ay ginagamit upang palakasin ang resistensya sa korosyon ng coating, maaaring palakasin ng Al ang resistensya sa oxidasyon ng coating, at maaaring palakasin ng Y ang resistensya sa korosyon at thermal shock ng coating.

Ang pagganap ng sistema ng MCrAlY ay napakagaling, ngunit maaaring gamitin lamang ito sa mga trabaho na ibaba pa sa 1 100℃. Upang taas ang temperatura ng serbisyo, ginawa ng mga nauunang taga-gawa at mananaliksik maraming pagsusuri tungkol sa pagbabago ng coating ng MCrAlY. Halimbawa, pagdagdag ng iba pang mga elemento ng alloy tulad ng W, Ta, Hf at Zr [34] upang mapabuti ang pagganap ng bond layer. Si YU at iba pa [35] ay napatong isang thermal barrier coating na binubuo ng Pt na pinabago na NiCoCrAlY bond layer at nanostructured 4 wt.% yttrium-stabilized zirconia (4YSZ) ceramic layer sa ikalawang henerasyon ng nickel-based superalloy. Sinuri ang thermal cycling behavior ng NiCoCrAlY-4YSZ thermal barrier coating sa hangin at ang epekto ng Pt sa pormasyon at resistance sa oksidasyon ng TGO sa 1 100℃. Ang mga resulta ay ipinapakita na kumpara sa Nicocraly-4YSZ, ang pagpapabago ng NiCoCrAlY sa pamamagitan ng Pt ay mabuti para sa pormasyon ng α-Al2O3 at sa pagbawas ng growth rate ng TGO, kaya nag-aangat ng buhay ng thermal barrier coating. GHADAMI at iba pa [36] ay handa ang NiCoCrAlY nanocomposite coating sa pamamagitan ng supersonic flame spraying na may nanoCEO2. Ikinumpara ang NiCoCrAlY nanocomposite coatings na may 0.5, 1 at 2 wt.% nanoCEO2 sa mga konvensional na NiCoCrAlY coatings. Ang mga resulta ay ipinapakita na ang NICocRALy-1 wt.% nano-CEO2 composite coating ay may mas magandang resistance sa oksidasyon, mas mataas na hardness at mas mababang porosity kaysa sa iba pang konvensional na NiCoCrAlY coatings at NiCoCrAlY nano-composite coatings.

Sa kasalukuyan, maliban sa sistema ng MCrAlY na maaaring gamitin sa bond layer, ang NiAl ay isa ring pangunahing anyo ng material para sa bagong henerasyon ng metal bonding layers. Ang NiAl ay binubuo nang pangunahin ng β-NiAl, na nagbabuong patuloy at makapal na oksido film sa ibabaw ng coating sa mga temperatura na mas mataas sa 1 200℃, at ito ay kinikilala bilang pinakamay-kapalang kandidato bilang material para sa isang bagong henerasyon ng metal bonding layers. Kumpara sa MCrAlY at tradisyonal na β-NiAl coatings, ang PT-modipikadong β-NiAl coating ay may mas mahusay na resistance sa oksidasyon at korosyon. Gayunpaman, ang oksido film na nabubuo sa mataas na temperatura ay may mahinaang pagdikit, na magiging sanhi ng maikling buhay ng coating. Kaya't upang mapabuti ang pagganap ng NiAl, ginawa ng mga mananaliksik ang doping modification studies sa NiAl. Si Yang Yingfei at iba pa [37] ay humanda ng NiCrAlY coating, NiAl coating, PT-modipikadong NiAl coating at Pt+Hf co-doped NiAl coating, at hinambing ang kanilang resistance sa oksidasyon sa temperatura ng 1 100℃. Ang huling resulta ay ipinakita na ang pinakamahusay na resistance sa oksidasyon ay ang Pt+Hf co-doped NiAl coating. Si Qiu Lin [38] ay humanda ng NiAl block alloy na may iba't ibang Al nilalaman at β-NiAl block alloy na may iba't ibang Hf/Zr nilalaman sa pamamagitan ng vacuum arc melting, at pinag-aralan ang epekto ng Al, Hf at Zr sa resistance sa oksidasyon ng NiAl alloy. Ang mga resulta ay ipinakita na ang resistance sa oksidasyon ng NiAl alloy ay tumataas kasama ng pagtaas ng Al nilalaman, at ang dagdag na Hf/Zr sa β-NiAl alloy ay nakakatulong upang mapabuti ang resistance sa oksidasyon, at ang pinakamahusay na halaga ng doping ay 0.1 at.% at 0.3 at.%, na bawat isa. Ang LI at iba pa [39] ay humanda ng bagong rare-earth modipikadong β- (Ni, Pt) Al coating sa Mo-matatagang Ni2Al-base superalloy sa pamamagitan ng electrodeposition at low activity aluminizing technology, at hinambing ang rare-earth modipikadong β- (Ni, Pt) Al coating sa tradisyonal na β- (Ni, Pt) Al coating. Ang isothermal oxidation behavior ng Pt) Al coating sa temperatura ng 1 100℃. Ang mga resulta ay ipinakita na ang mga elemento ng rare earth ay maaaring mapabuti ang resistance sa oksidasyon ng coating.

Sa karatula, may sariling mga anggulo at kasiraan ang mga coating ng MCrAlY at NiAl, kaya dapat patuloy na itinalaga ng mga nagsusulit ang pag-aaral ng pagsasabago sa pamamagitan ng dalawang materyales ng coating, humahanap ng pag-unlad ng bagong materyales ng metal bonding layer, upang maitaas ang temperatura ng serbisyo ng thermal barrier coating para sa mga malalaking gas turbine.