Pag-unlad ng pananaliksik at trend ng pag-unlad ng mga heavy-duty na gas turbines at ang kanilang mga thermal barrier coatings (3)

2.1 Paghahanda ng thermal barrier coating

Hanggang sa isang tiyak na antas, ang mikroestraktura ng thermal barrier coating ay hindi lamang nakakaapekto sa thermal insulation, oxidation resistance at iba pang katangian ng coating, kundi pati na rin nagsasaalang-alang sa buhay ng coating. Ang mikroestraktura ng thermal barrier coating ay depende hindi lamang sa materyales na ginagamit, kundi pati na rin sa proseso ng paghahanda nito. Kaya't maituturing din ito bilang mahalaga na pumili ngkopong proseso ng paghahanda batay sa iba't ibang mga kinakailangan. Maraming paraan upang maghanda ng thermal barrier coatings, ngunit pinapag-iiba-iba nila ito sa dalawang pangunahing kategorya: ang una ay thermal spraying method, at ang ikalawa ay physical vapor deposition method. Sa kanila, ang thermal spraying method ay kabilang sa supersonic spraying method, plasma spraying method, explosion spraying method at iba pa. Ang coating na hinanda sa pamamagitan ng thermal spraying ay plakyado. Ang physical vapor deposition method ay pangunahing electron beam physical vapor deposition (EB-PVD), at ang hinahanda coating ay haligi. Ang ceramic layer ng thermal barrier coating ay madalas na ginagamit sa pamamagitan ng electron beam physical vapor deposition, atmospheric plasma spraying at iba pang mga paraan. Ang metal bonding layer ay pangunahing gumagamit ng thermal spraying technologies tulad ng atmospheric plasma spraying (APS), low pressure plasma spraying (LPPS) at supersonic flame spraying (HVOF) [40]. Hanggang ngayon, ang APS at EB-PVD ang pangunahing paraan ng paghahanda ng thermal barrier coatings para sa gas turbine.

2.1.1 Pagsabog ng plasma sa atmospera

Ang APS ay isang uri ng direkta na arkong elektro-pantas na ipinagmumula mula sa spray gun upang ikonbersyon ang mga gas tulad ng Ar, He, N2 at iba pa sa plasma jets, kung saan ang ceramic powder at metal powder na idinadala ng carrier gas ay mabilis na init at imelt hanggang maging molten o semi-molten particles. Teknolohiya para sa paggawa ng isang coating sa ibabaw ng superalloy matrix sa pamamagitan ng pagsaktan nito gamit ang malaking kinetic energy (80 ~ 300 m/s) sa ilalim ng epekto ng elektrikong patlang [42]. Ang thermal barrier coating na handa sa pamamagitan ng teknolohiyang APS ay binubuo ng maraming interstacked particles, at ang matrix ay pangunahing mekanikal na nakakabit sa lamellar microstructure, na naglalaman ng maraming defekto na paralelo sa alloy matrix, tulad ng butas at mikro-cracks (tulad ng ipinapakita sa Figure 2). Ang mga dahilan para sa pormasyon ay sumusunod: sa taas na temperatura, ang ceramic o metal ay maaaring lumuhid at bumuo ng molten particles, at maglalaman ng ilang ambient gases, ngunit ang rate ng paglamig ng coating ay napakabilis, na gagawing hindi makapag-precipitate ng maayos ang mga gas na disuelto sa molten particles sa proseso ng depósito, at bumuo ng butas; Sa parehong panahon, ang kulang na bonding sa pagitan ng molten particles ay maaaring humantong sa pormasyon ng mga butas at crack sa coating. Kaya, kung ginagamit ang APS upang handain ang thermal barrier coatings, mataas ang kanyang porosity at may mabuting thermal insulation na katangian, ngunit ang kanilang mga kakulangan ay kulang na pagtitiyak ng strain at mahina ang resistance sa thermal shock [43], at pangunahing ginagamit para sa mga parte na may mas mabuting working environment. Sa dagdag pa, ang APS ay murang handain, kaya ito ay maaaring gamitin sa mas malalaking mga parte.

2.1.2 Elektron-beam fisikal na depo ng buhok

Ang EB-PVD ay isang teknolohiya na gumagamit ng mataas na enerhiya densidad na elektron beam upang initin ang coating powder sa loob ng isang vacuum chamber at bumuo ng isang molten pool sa ibabaw ng powder upang ipaputok ang ceramic powder at ideposito ito sa ibabaw ng substrate sa isang atomikong estado upang bumuo ng isang thermal barrier coating [45], tulad ng ipinapakita sa Figure 3. Ang estraktura ng EB-PVD coating ay isang haligi kristal na estraktura na patuloy na pataas mula sa alloy matrix, at ang coating at matrix ay pangunahing pinagsamaan sa pamamagitan ng metallurgy. Hindi lamang maaga ang ibabaw, kundi may mabuting densidad din, kaya't may mataas na bonding lakas, pagtitiyak sa pagnanais, at resistance sa thermal shock. Ito ay pangunahing ginagamit sa mga parte na may mahirap na trabaho kapaligiran, tulad ng gas turbine rotor blades. Gayunpaman, ang gastos sa paghahanda ng EB-PVD coating ay mahal, at maaaring ihanda lamang ang mga mababang coating, at ang structural size ng mga parte ay may tiyak na kinakailangan, kaya't ito ay madalas na hindi ginagamit sa mga gas turbines.

Ang dalawang proseso ng paghahanda sa itaas ay napakalaki na, ngunit mayroon pa ring mga problema nila, tulad ng ipinapakita sa Talahanayan 2. Sa mga taong nakaraan, ang mga nauugnay na mananaliksik ay patuloy na sinusunod at ginagawa ang bagong paraan ng paghahanda ng thermal barrier coating. Kasalukuyan, sa gitna ng madaling gamitin na mga bagong paraan ng paghahanda ng thermal barrier coating, ang pinakamahusay ay ang teknolohiya ng plasma spraying physical vapor deposition (PS-PVD), na kinikilala bilang isa sa pinakamatagal mong inaasahan at epektibong paraan ng paghahanda ng thermal barrier coating.

2.1.3 Plasma spraying physical vapor deposition

Ang PS-PVD teknolohiya ay inilimbag batay sa mababang presyon na plasma spraying. Ang coating na estraktura na itinatayo ng pamamaraan na ito ay plumes at mga haligi, at ang mga butas sa coating ay marami at ang mga espasyo ay malalaki, tulad ng ipinapakita sa Figura 4. Kaya't, ang PS-PVD teknolohiya ay nag-improve sa problema ng kulang na thermal insulation ng EB-PVD coating at masama na thermal shock resistance ng APS coating, at ang thermal barrier coating na itinatayo sa pamamagitan ng PS-PVD teknolohiya ay may mataas na bonding strength, magandang thermal insulation performance at magandang thermal shock resistance, ngunit masama ang corrosion resistance at oxidation resistance laban sa CMAS. Sa pamamagitan nito, si ZHANG at iba pa [41] ay nag-propose ng isang paraan ng pagbabago sa PS-PVD 7YSZ thermal barrier coating gamit ang Al2O3. Ang mga resulta ng eksperimento ay ipinapakita na ang oxidation resistance at CMAS corrosion resistance ng 7YSZ thermal barrier coating na itinatayo sa pamamagitan ng PS-PVD teknolohiya ay maaaring maiimprove sa pamamagitan ng aluminizing modification.