Pag-unlad ng pananaliksik at trend ng pag-unlad ng mga heavy-duty na gas turbines at ang kanilang mga thermal barrier coatings (4)

Mga pangunahing katangian ng thermal barrier coating ng gas turbine

Dahil ang trabaho ng mga masusing gas turbine sa lupa ay karaniwang nasa isang komplikadong kapaligiran, at ang maintenance cycle ay mahaba, maaaring umabot hanggang 50,000 oras. Kaya't upang mapabuti ang teknolohiya ng thermal barrier coating para sa gas turbine at mapanatili ang buhay ng serbisyo ng thermal barrier coating, noong mga taon na ito, ginawa ng mga mananaliksik maraming pagsusuri tungkol sa mga pangunahing katangian ng thermal barrier coating, tulad ng insulation, resistance sa oksihasyon, resistance sa thermal shock, at resistance sa CMAS corrosion. Sa kanila, sapat ang pagsusuri at progreso ng thermal barrier coatings tungkol sa insulation, oksihasyon, at resistance sa thermal shock, subalit kulang ang resistance sa CMAS corrosion. Habang ang CMAS corrosion ay nagiging pangunahing mode ng pagkabigo ng thermal barrier coatings, na nagdidulot ng pag-aagaw sa pag-unlad ng susunod na henerasyon ng mataas na performa ng gas turbines. Kaya't sa bahaging ito, una muna ipinapakita ang thermal insulation, oksihasyon, at resistance sa thermal shock ng thermal barrier coatings, at pagkatapos ay pinapakita ang progreso ng pagsusuri sa mekanismo ng CMAS corrosion at proteksyon sa teknolohiya ng thermal barrier coatings sa Seksyon 4.

Katangian ng init na isolasyon

Sa pamamagitan ng pag-unlad ng industriya, ang mataas na pagganap na gas turbines ay naglagay ng mas mataas na mga kinakailangan para sa temperatura ng inlet ng turbine. Kaya't maituturing na mahalaga ang pagtaas ng init na isolasyon ng thermal barrier coating. Ang init na isolasyon ng thermal barrier coating ay may ugnayan sa materyales, estruktura at proseso ng pagsasaalang-alang ng coating. Sa dagdag pa rito, ang serbisyo na kapaligiran ng thermal barrier coating ay maaaring mag-apekto sa kanilang katangiang isolasyon ng init.

Ang konduktibidad ng init ay ginagamit pangkalahatan bilang indeks ng pag-evaluate sa performa ng thermal insulation ng mga thermal barrier coating. Si Liu Yankuan at iba pa [48] ay naghanda ng coating na may 2 mol.% Eu3+ doped YSZ gamit ang APS, at hinikayat ito sa YSZ coating, ang mga resulta ay nagpapakita na mas mababa ang thermal conductivity ng coating na may 2 mol.% Eu3+ doped YSZ, o kaya'y mas mabuting thermal insulation ang coating na may 2 mol.% Eu3+ doped YSZ. Nakita nila na ang espasyal at heometrikong characteristics ng mga butas sa coating ay may malaking impluwensya sa thermal conductivity [49]. Ang SUN at iba pa [50] ay gumawa ng pagsusuri sa thermal conductivity at elastic modulus ng mga thermal barrier coating na may magkakaibang anyo ng butas. Ang mga resulta ay nagpapakita na bumababa ang thermal conductivity at elastic modulus ng thermal barrier coating habang bumababa ang laki ng butas, at ang higit na porosidad, ang mas mababa ang thermal conductivity. Maraming mga pag-aaral ay nagpapatunay na kumpara sa EB-PVD coating, mas mabuting thermal insulation ang APS coating, dahil mas mataas ang porosidad at mas mababa ang thermal conductivity ng APS coating [51]. Si RATZER-SCHEIBE at iba pa [52] ay nagsikap upang pag-aralan ang epekto ng lalim ng coating ng EB-PVD PYSZ sa thermal conductivity, at ang mga resulta ay nagpapakita na ang lalim ng coating ng EB-PVD PYSZ ay nakakaapekto nang malaki sa kanyang thermal conductivity, o kaya'y ang lalim ng coating ay isa rin sa mga mahahalagang factor na nakakaapekto sa thermal insulation performance ng thermal barrier coating. Ang mga resulta ng pag-aaral ni Gong Kaisheng at iba pa [53] ay pati na ring nagpapakita na sa saklaw ng lalim ng aktwal na aplikasyon ng coating, ang thermal insulation performance ng coating ay proporsyon sa kanyang lalim at sa temperatura difference ng kapaligiran. Bagaman ang thermal insulation performance ng thermal barrier coating ay puputok sa pamamagitan ng pagtaas ng lalim, kapag patuloy na tumataas ang lalim ng coating hanggang sa isang tiyak na halaga, madali itong maging sanhi ng stress concentration sa coating, na nagiging sanhi ng maagang pagwawala. Kaya't, upang palakasin ang thermal insulation performance ng coating at mapanatili ang kanyang buhay, dapat ma-regulate ang lalim ng coating.

resistensya sa oksidasyon

Sa kondisyon ng mataas na temperatura oxidation, madaling mabuo ang isang layer ng TGO sa loob ng thermal barrier coating. Ang impluwensya ng TGO sa thermal barrier coating [54] ay may dalawang panig: Sa isa, ang nabuong TGO ay maaaring magpigil sa oksiheno mula patuloy na lumago pabalik at bawasan ang panlabas na impluwensya sa oxidation ng alloy matrix. Sa kabilang banda, habang patuloy na lumalago ang TGO, dahil sa malaking elastic modulus nito at sa malaking pagkakaiba ng kanyang thermal expansion coefficient mula sa adhesive layer, madali rin itong makapagbuo ng malaking stress sa proseso ng pagdating ng init, na gagamitin upang mabilis ang pagkalagot ng coating. Kaya, upang mapabilis ang buhay ng thermal barrier coating, kinakailanganang mapabuti ang resistance sa oxidation ng coating.

Si XIE at iba pa [55] ay nag-aral ng pagsisimula at paglago ng TGO, na pangunahing nahati sa dalawang yugto: una, isang makinang α -Al2O3 na pelikula ay nabuo sa bonding layer, at pagkatapos ay isang porous na halong oksido ang bumuo sa pagitan ng ceramic layer at α -Al2O3. Ang mga resulta ay ipinapakita na ang pangunahing anyo na sanhi ng mga sugat sa thermal barrier coating ay ang porous na halong oksido sa TGO, hindi α -Al2O3. SIU atbp. [56] ipinakita ang isang pinabuti na paraan upang simulahin ang rate ng paglago ng TGO sa pamamagitan ng pagsusuri sa numerikal na analisis ng stress evolution sa dalawang yugto, upang tiyakang maipredict ang buhay ng thermal barrier coatings. Kaya't maaaring kontrolin ang kapaligiran ng TGO sa pamamagitan ng kontrol sa rate ng paglago ng porous harmful mixed oxides, upang maiwasan ang una pang pagkabigo ng thermal barrier coatings. Ang mga resulta ay nagpapakita na maaaring hikayatin ang paglago ng TGO gamit ang dual-ceramic thermal barrier coating, depósito ng protektibong layer sa ibabaw ng coating at pagsusulong sa kagubatan ng ibabaw ng coating, at maaaring mapabuti ang oxidasyon resistance ng coating sa isang tiyak na antas. AN atbp. [57] ginamit ang APS technology upang maghanda ng dalawang uri ng thermal barrier coatings: tinuunan ang pormasyon at paglago ng TGO sa pamamagitan ng isothermal oxidation tests sa 1 100 ℃ . Ang unang isa ay YAG/YSZ double ceramic barrier coating (DCL TBC) at ang ikalawa ay YSZ single ceramic barrier coating (SCL TBC). Ang mga resulta ng pag-aaral ay ipinapakita na ang proseso ng pagsisimula at paglago ng TGO ay sumusunod sa mga batas ng termodinamika, tulad ng ipinapakita sa Figure 5: Ayon sa formula (1) ~ (8), ang Al2O3 ay nabuo muna, at pagkatapos ay ang Y ion oxidation ay bumuo ng isang napakababang lapis ng Y2O3 sa ibabaw ng Al2O3 TGO, at ang dalawa ay nagsisisi sa bawat isa upang bumuo ng Y3Al5O12. Kapag ang Al ion ay pinababa sa isang tiyak na halaga, ang iba pang metal elementong nasa bond layer ay oxidized bago at pagkatapos ay bumuo ng mga mixed oxides (Cr2O3, CoO, NiO at spinel oxides, etc.), muna bumubuo ng Cr2O3, CoO, NiO, at pagkatapos ay nagrereacto sa (Ni, Co) O at Al2O3 upang bumuo ng (Ni, Co) Al2O4. Ang (Ni, Co) O ay nagrereacto sa Cr2O3 upang bumuo ng (Ni, Co) Al2O4. Kumpara sa SCL TBC, mas mabagal ang rate ng pagsisimula at paglago ng TGO sa DCL TBC, kaya't may mas magandang katangian ng high-temperature antioxidant. Si Xu Shiming at iba pa [58] ay ginamit ang magnetron sputtering upang mag-deposito ng pelikula sa ibabaw ng coating ng 7YSZ. Pagkatapos ng heat treatment, α -Ang layert ng Al2O3 ay nilikha sa pamamagitan ng reaksyon na in-situ. Ipinakita ng pag-aaral na ang α -layert ng Al2O3 na nabuo sa ibabaw ng coating ay maaaring magpatuloy ng resistensya sa oksidasyon ng coating sa pamamagitan ng pagpigil sa pagduldong ng mga ions ng oksiheno. Ipinakita ni FENG at iba pa [59] na ang pagsasariwa ng laser sa ibabaw ng coating ng YSZ na may proseso ng APS ay maaaring mapatuyuin ang resistensya sa oksidasyon ng coating, pangunahing dahil ang pagsasariwa ng laser ay maaaring mapataas ang densidad ng coating, kaya't nagdidelay sa paglago ng TGO.

Ang resistensya sa thermal shock

Kapag nasa serbisyo ang mga komponente ng hot end ng mga heavy-duty na gas turbines sa kapaligiran ng mataas na temperatura, madalas silang nakakaranas ng thermal shock dahil sa mabilis na pagbabago ng temperatura. Kaya't maaaring iprotect ang mga bahagyang alloy sa pamamagitan ng pagsulong ng resistance sa thermal shock ng thermal barrier coating. Ipinapatayo ang resistance sa thermal shock ng thermal barrier coating sa pamamagitan ng thermal cycling (thermal shock) test, unang pinapanatili sa mataas na temperatura sa isang tiyak na panahon, at pagkatapos ay inililipat para sa hawà/ tubig na paglalamig bilang isang thermal cycle. Sinusuri ang resistance sa thermal shock ng thermal barrier coating sa pamamagitan ng pagsusulat ng bilang ng thermal cycles na kinailangan bago mabigo ang coating. Nakita sa mga pag-aaral na mas mabuti ang resistance sa thermal shock ng gradient structure thermal barrier coating, pangunahing dahil sa maliit na kalakhan ng gradient structure thermal barrier coating, na maaaring humina sa thermal stress sa loob ng coating [60]. Ginawa ni ZHANG at iba pa [61] ang mga thermal cycle tests sa 1 000 ℃ sa tatlong anyo ng thermal barrier coating na may spot, streak, at grid na nakukuha sa pamamagitan ng pagpapalubog muli ng laser sa NiCrAlY / 7YSZ thermal barrier coating, at pinag-aralan ang resistensya sa thermal shock ng mga specimen na isinpray at ng tatlong halaman na may iba't ibang anyo matapos ang pagproseso ng laser. Ang mga resulta ay ipinakita na ang sample ng dot ay may pinakamahusay na resistensya sa thermal shock at ang buhay ng thermal cycle ay dalawin ang yaon ng sample na isinpray. Gayunpaman, ang resistensya sa thermal shock ng mga sample na striped at grid ay mas masama kaysa sa mga sample na isinpray, tulad ng ipinapakita sa Figura 6. Sa dagdag pa, maraming mga pagsisiyasat ay nagpakita na ilang bagong materyales ng coating ay may mabuting resistensya sa thermal shock, tulad ng SrAl12O19 [62] na ipinakita ni ZHOU at iba pa, LaMgAl11O19 [63] na ipinakita ni LIU at iba pa, at Sm2 (Zr0.7Ce0.3) 2O7 [64] na ipinakita ni HUO at iba pa. Kaya naman, upang mapabuti ang resistensya sa thermal shock ng thermal barrier coating, maliban sa disenyo at optimisasyon ng estraktura ng coating, maaaring hanapin at pag-unlad ng mga bagong materyales na may mabuting resistensya sa thermal shock.