Ağır gaz türbinlerinin ve termal engel kaplamalarının araştırma ilerlemesi ve geliştirme eğilimi (2)

Isı engellemesi kaplaması

Isı engellemesi kaplamalarının araştırma arka planı

Başarılı bir şekilde geliştirilen ilk gaz türbininin 1920'de ortaya çıkmasından bu yana, gaz türbini her zaman enerji üretimi ve sürüş alanlarında kilit bir rol oynamıştır. Ayrıca, endüstri teknolojisinin gelişmesiyle birlikte ağır gaz türbinlerinin teknik seviyesi sürekli olarak artmaktadır ve ağır gaz türbinlerinin verimliliğini nasıl artırılabileceği giderek daha acil hale gelmektedir. Türbin pıtası, ağır gaz türbini yakıt sisteminin önemli bileşenlerinden biridir. Türbin giriş sıcaklığının artırılması, ağır gaz türbininin verimliliğini etkili bir şekilde artırmak için kullanılabilir. Bu nedenle, ilgili araştırmacılar türbin giriş sıcaklığına yönelik çalışmalar yapabilirler. Gelecekteki verimli gaz türbinleri için artan işletme sıcaklığı gereksinimine uyum sağlamak amacıyla, sıcak uç bileşenlerinin yüzeylerine genellikle ısı engellemesi kaplamaları sıralanır.

1953 yılında, termal engel katmanı kavramı ilk kez ABD'deki NASA-Lewis Araştırma Enstitüsü tarafından ortaya atıldı [13], yani termal sıvama teknolojisi aracılığıyla yüksek sıcaklık ortamında çalışan parçaların yüzeyine keramik kaplama uygulanır, böylece ısı yalıtımı ve koruma sağlanır, bıçağın yüzey sıcaklığı azaltılır, moterin yakıt tüketimi düşer ve bıçağın hizmet ömrü uzatılır. Termal engel kaplaması, düşük hazırlık maliyeti ve iyi ısı yalıtımı koruması gibi muhteşem özelliklerinden dolayı endüstriyel gaz türbinleri ve havacılık motorlarının (turbin bıçakları ve yanma odaları vb.) sıcak uç bileşenlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır ve uluslararası olarak ağır gaz türbini üretimi için bir ön teknoloji olarak kabul edilmektedir.

Termal engel kaplamasının sistem yapısı

• Bilim ve teknolojinin ilerlemesi ve gelişimiyle birlikte, gaz türbinlerinin giriş sıcaklığı giderek daha yüksek hale gelmektedir. Termal engel katmanının daha iyi bir termal izolasyon etkisi elde etmek için, dünyanın çoğu çalışması termal engel kaplamasının yapısını tasarlamaya odaklanmaktadır ki, bu da termal engel kaplamasının yapısının önemini yeterince göstermektedir [14]. Kaplama yapısına göre, bu yapıyı çift katmanlı, çok katmanlı ve gradiyentli yapıya ayırabiliriz [15].
• Onlar arasında, keramik tabaka ve bağlayıcı tabaka ile oluşan iki katmanlı termal engel kaplaması, tüm kaplama yapıları içinde en basit ve daha olgun termal engel kaplaması olarak yaygın bir şekilde termal engel kaplama teknolojisi alanında kullanılmaktadır. Onlar arasında en yaygın olarak kullanılan iki katmanlı yapıya sahip termal engel kaplamada, dış keramik tabaka malzemesi olarak 6 wt.% ~ 8 wt.% itryum stabilize zirkonyum (6-8YSZ) ve metal bağlayıcı tabaka malzemesi olarak MCrAlY (M=Ni, Co, Ni+Co vb.) alaşımı tercih edilmektedir [16]. Ancak, keramik tabakanın ve metal bağlayıcı tabakanın termal genleşme katsayıları arasındaki uyumsuzluk nedeniyle, kaplama içinde stres oluşması kolaydır ve bu da kaplamanın erken düşmesine neden olabilir.
• Termal engel katmanının (TEK) performansını artırmak için araştırmacılar, daha karmaşık bir yapıya sahip bir çok tabakalı termal engel kaplaması hazırladılar (bileşik kaplama), yani çift tabakalı yapıdaki termal engel kaplamasının üzerine birkaç adet yalıtım ve engel katmanı eklenmiştir, genellikle beş tabaka. Bunların arasında en çok çalışılan engel katmanları principalmente Al2O3, NiAl vb. içerir [17]. FENG ve ark. [18] APS yöntemini kullanarak YSZ termal engel kaplaması ve LZ/YSZ termal engel kaplaması (La2Zr2O7 / ZrO2-Y2O3 çift keramik tabakalı termal engel kaplaması) hazırladılar ve ardından lazer yeniden erime teknolojisi ile kaplamaların yüzeyini yeniden eritip, 1100℃’de yüksek sıcaklık oksidasyon testi uyguladılar. Elde edilen sonuçlar göstermektedir ki, YSZ termal engel kaplamasına kıyasla, LZ/YSZ çift keramik termal engel kaplaması daha iyi oksidasyon direncine sahiptir. Çok tabakalı termal engel kaplamasının performansı, çift tabakalı termal engel kaplamasından daha iyidir ancak yapısı ve üretim süreci daha karmaşık olduğundan ve termal şok direncinin düşük olması nedeniyle pratik uygulamada sınırlıdır. Bu nedenle, gradyan yapılı termal engel kaplaması ortaya çıkmıştır.
• Gradyan yapılı termal engel katmanı, kaplama kalınlığı yönünde bileşen ve yapının sürekli gradyan değişimine sahip olup, bu da belirsiz bir ara tabaka arayüzüne neden olur. Çift tabakalı ve çok tabakalı yapılarla karşılaştırıldığında, gradyan yapılı termal engel kaplaması sadece olağanüstü termal şok direncine sahip değil, aynı zamanda performansın sürekli gradyan değişimi gösterir, bu nedenle termal stres hafifletme özellikleri vardır ve sert yüksek sıcaklık ortamlarında kullanılabilir. Fonksiyonel olarak gradyanlı termal engel kaplamaların ana termal püskürme teknolojileri Mr. tarafından gözden geçirildi. Hazırlama yöntemleri çeşitli olsa da, pratiğe uygulanması nedeniyle gradyan yapılı termal engel kaplaması karmaşık hazırlık süreci, kontrol edilmesi zor yapısal bileşenler ve yüksek maliyet nedeniyle kötüdür.
• Özetle, çift katmanlı termal engel kaplaması yaygın olarak kullanılmaktadır ve süreç olgunlaşmıştır, ayrıca hala termal engel kaplama için tercih edilen yapısal forma sahiptir. Seramik katman ve bağlayıcı katman [20], termal sıvanma teknolojisi ile alaşım matrisine yerleştirilir. Yüksek sıcaklıkta oksidasyon koşullarında, bağlayıcı katmanın yüzeyinde oksidasyondan sonra bir ısı büyümüş oksit (TGO) ince tabakası oluşur, bunun gösterimi Şekil 1'de görülebilir. Bunların arasında, alaşım matrisi, termal engel kaplama tarafından korunan bir bileşen olarak, dış mekanik yükleri taşımada rol oynayabilir ve malzemesi genellikle yüksek sıcaklığa ve oksidasyona dayanan nikel tabanlı süper alaşımdır. Bağlayıcı katmanın rolü, seramik katman ile alaşım matrisi arasındaki bağlayıcı kuvveti artırmaktır, kalınlığı genellikle 50 ~ 150 µm arasındadır ve malzeme genellikle MCrAlY (M=Ni/Co/Ni+Co) seçilir ki, bu malzeme alaşım matrisinin termal genişleme katsayısı ile küçük bir fark gösterir. Termal büyüme oksiti (TGO), seramik katman ile bağlayıcı katman arasında yüksek sıcaklıkta oksidasyon ortamında oluşan α-Al2O3 ince filminden oluşur, kalınlığı 1 ~ 10 µm arasındadır ve kaplamaya büyük etkisi vardır. Seramik katman, ısıl yalıtım, çürümeye karşı direnç ve etkiye karşı direnç işlevlerini yerine getirir [21], kalınlığı genellikle 100 ~ 400 μm arasındadır ve malzemesi genellikle düşük termal iletkenlik ve nispeten yüksek termal genişleme katsayısı olan 6-8YSZ'dir [22].

Isı engel katmanı kaplamasının malzemeleri

Turbine kablosunun giriş sıcaklığı, çalışma verimliliğiyle yakından ilgilidir. Turbine kablosunun giriş sıcaklığını artırmak suretiyle çalışma verimliliği artırılabilir. Ancak bilim ve teknoloji ile sanayinin gelişmesiyle birlikte, ağır gaz türbinlerinin sıcak uç bileşenlerinin işlevselliği sıcaklığı hala arttırmaktadır ve nikel tabanlı alaşım turbine kablosunun sınır sıcaklığı 1150℃'dur, bu da daha yüksek sıcaklıklarda çalışamaz. Bu nedenle, özel özelliklere sahip ısı engellemesi kaplama malzemelerini bulmak ve geliştirmek özellikle acildir. Onların arasında, ısı engellemesi kaplamalarının hizmet koşulları çok kötü olduğundan, gerçek süreçte ısı engellemesi kaplama malzemelerinin seçim koşulları daha sıkıdır. Seramik katman malzemeleri genellikle düşük termal iletkenliğe ve yüksek erime noktasına sahip olmalılar ve oda sıcaklığından hizmet sıcaklığına kadar faz dönüşümüne kolayca uğramamalıdır. Ayrıca, yüksek termal genişleme katsayısı, outstanding termal şok direnci, sinterleme direnci ve korozyon direnci gereklidir [24]. Bağlama katmanı malzemesi ise korozonun yanı sıra oksidasyon direnci, iyi bağlama dayanımı ve diğer özelliklere sahip olmalıdır [25-26].

Seramik katman malzemesi

Isı engelleyici kaplama için sert hizmet koşulları, malzemelerinin seçimini sınırlar. Şu anda, pratik uygulamaya uygun ısı engelleyici kaplama malzemeleri çok sınırlıdır, ana olarak YSZ malzemeleri ve nadir toprak oksitleri ile doplanmış YSZ malzemeleridir.

(1) ittriyum oksit stabilize edilmiş zirkonyum

Şu anda, keramik malzemeler arasında ZrO2'nin yüksek erime noktası, düşük termal iletkenlik, yüksek termal genleşme katsayısı ve iyi çatlak dayanımı nedeniyle öne çıkmaktadır. Ancak saf ZrO2 üç kristal formasına sahiptir: monoklin (m) fazı, kübik (c) fazı ve tetragonal (t) fazı ve saf ZrO2 kolayca faz dönüşümü yaşayabilir, bu da hacim değişikliğine yol açarak kaplamaların ömüründe olumsuz etkilere neden olur. Bu nedenle, ZrO2 genellikle Y2O3, CaO, MgO ve Sc2O3 gibi stabilizatörlerle dozlanır ki faz istikrarını artırsın. Bunların arasından 8YSZ en iyi performansı göstermektedir; yeterli sertlik (~ 14 GPa), düşük yoğunluk (~ 6.4 Mg·m-3), düşük termal iletkenlik (~ 2.3 W·m-1 ·K-1, 1000℃ de), yüksek erime noktası (~ 2700℃), yüksek termal genleşme katsayısı (1.1×10-5 K-1) ve diğer muhteşem özelliklere sahiptir. Bu nedenle, bir keramik tabaka malzemesi olarak termal engellemeli kaplamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır.

(2) YSZ'ye endülmüş nadir toprak oksitleri

YSZ, 1200 °C üzerindeki bir ortamda uzun süre çalıştığında, faz geçişi ve sinterleme genellikle meydana gelir. Bir yandan, dengesiz tetragonel faz t', kübik faz c ve tetragonel faz t'nin bir karışımı haline dönüşür ve soğutma sırasında t', monoklin faz m'ye dönüşür; bu da hacim değişimiyle sürekli olarak faz geçişini ve kaplamanın hızlı bir şekilde soyulmasını sağlar [27]. Diğer yandan, sinterleme kaplamadaki poroziteyi azaltır, kaplamanın termal yalıtım performansını ve gerilme dayanımını düşürürken, sertliği ve elastik modülünü artırır, bu da kaplamanın performansını ve ömrünü büyük ölçüde etkiler. Bu nedenle, YSZ sonraki nesil ağır boru gaz türbini motorlarına uygulanamaz.

Genel olarak, YSZ'nin performansı, zirkonyum türlerinin stabilizörünü değiştirerek veya artırarak, örneğin nadir toprak oksitleri ile YSZ'yi doplama yöntemiyle [28-30] geliştirilebilir. Zr iyonları ve doplanmış iyonlar arasındaki yarıçap farkı ne kadar büyükse, bu da aksam konsantrasyonunu artırır ve bunun sonucunda fonon saçılımı artar ve termal iletkenlik azalır [31]. CHEN ve ark. [32], APS yöntemini kullanarak La2O3, Yb2O3 ve Gd2O3 ile ortak doplanmış YSZ (LGYYSZ) termal engelleme kaplaması seramik katmanı hazırladı ve ölçümler ve hesaplamalar yoluyla termal engelleme kaplamasının termal genleşme katsayısını ve termal iletkenliğini elde etti ve 1 400℃ de bir termal döngü testi yaptı. Sonuçlar gösteriyor ki, YSZ kaplamasına kıyasla LGYYSZ kaplaması daha düşük termal iletkenliğe, daha uzun termal döngü ömrüne ve 1 500℃ de iyi faz istikrarına sahiptir. Li Jia ve ark. [33], kimyasal ortak çökeltme yöntemiyle Gd2O3 ve Yb2O3 ortak doplanmış YSZ tozu hazırladı ve APS ile Gd2O3 ve Yb2O3 ortak doplanmış YSZ kaplaması hazırladı ve farklı oksit doplama miktarlarının kaplamaların faz istikrarı üzerindeki etkisini studiedi. Sonuçlar gösteriyor ki, Gd2O3 ve Yb2O3 ortak doplanmış YSZ kaplamasının faz istikrarı geleneksel 8YSZ kaplamasından daha iyidir. Düşük doplama miktarında yüksek sıcaklıkta ısıtıldığında m fazı daha az olur ve yüksek doplama miktarında stabil kübik faz üretilir.

Geleneksel YSZ ile karşılaştırıldığında, yeni değiştirilmiş YSZ keramik malzemesinin daha düşük termal iletkenliği vardır, bu da termal engel katmanının daha iyi termal izolasyon performansı sağlar ve yüksek performanslı termal engel kaplama üzerine yapılan araştırmalar için önemli bir temel oluşturur. Ancak, geleneksel YSZ'nin genel performansı iyi olduğu için yaygın olarak kullanılmaktadır ve hiçbir değiştirilmiş YSZ tarafından değiştirilemez.

Bağlama tabaka malzemesi

Bağlama katmanı termal engel örtme sisteminde çok önemlidir. Ayrıca, seramik katman, alaşım matrisine daha sıkı bir şekilde bağlanabilir ve örtüdeki termodilasyon katsayılarının uyuşmazlığı nedeniyle oluşan iç gerilmeyi azaltabilir. Ayrıca, yüksek sıcaklıkta yoğun bir oksit filmi oluşturarak tüm örtme sisteminin termal korozyon dayanımı ve oksidasyon dayanımı artırılabilir ki bu da termal engel örtmenin ömrünü uzatır. Şu anda, bağlama katmanı için kullanılan malzeme genellikle MCrAlY alaşımdır (M, Ni, Co veya Ni+Co'dur ve kullanımına bağlı olarak değişir). Bunların arasında, iyi oksidasyon direnci ve korozyon direnci gibi genel özelliklerine sahip olan NiCoCrAlY, ağır gaz türbinlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. MCrAlY sisteminde, Ni ve Co matris elemanları olarak kullanılır. Ni'nin iyi oksidasyon direnci ve Co'nun iyi yorgunluk dayanımı nedeniyle Ni+Co'un (oksidasyon direnci ve korozyon direnci gibi) genel özellikleri iyi olur. Cr, örtmenin korozyon dayanımını artırmak için kullanılırken, Al, örtmenin oksidasyon dayanımını artırabilir ve Y, örtmenin korozyon dayanımını ve termal şok dayanımını iyileştirebilir.

MCrAlY sisteminin performansı müthiştir, ancak yalnızca 1100℃'den düşük sıcaklıklarda kullanılabilir. Hizmet sıcaklığını artırmak için ilgili üreticiler ve araştırmacılar MCrAlY kaplamasının değiştirilmesi üzerine birçok araştırma yapmıştır. Örneğin, W, Ta, Hf ve Zr gibi diğer alaşım unsurları ekleyerek [34] bağ katmanının performansını geliştirmeye çalışılmıştır. YU ve ark. [35], ikinci nesil nikel tabanlı süperaloy üzerinde Pt ile değiştirilmiş NiCoCrAlY bağ katmanından ve nano yapılandırılmış %4 yttriyum-stabilize zirkonyum (4YSZ) seramik katmandan oluşan bir termal engel katmanı sıraladılar. NikelCoCrAlY-4YSZ termal engel kaplamasının havada 1100℃'deki termal çevrim davranışı ve Pt'nin TGO oluşumu ve oksidasyon direnci üzerindeki etkisi incelendi. Sonuçlar, Nicocraly-4YSZ'e kıyasla, NiCoCrAlY'nin Pt tarafından değiştirilmesinin α-Al2O3 oluşumuna ve TGO büyüme oranının azaltılmasına yararlı olduğunu göstermektedir, böylece termal engel kaplamasının ömrü uzatılır. GHADAMI ve ark. [36], nanoCEO2 ile supersonic alev sıralama yöntemiyle NiCoCrAlY nanokompozit kaplaması hazırladılar. 0,5, 1 ve 2 wt.% nanoCEO2 içeren NiCoCrAlY nanokompozit kaplamaları, geleneksel NiCoCrAlY kaplamalarıyla karşılaştırıldı. Sonuçlar, NICocRALy-1 wt.% nano-CEO2 kompozit kaplamasının, diğer geleneksel NiCoCrAlY kaplamalarından ve NiCoCrAlY nano-kompozit kaplamalarından daha iyi oksidasyon dayanımı, daha yüksek sertlik ve daha düşük poroziteye sahip olduğunu göstermektedir.

Şu anda, MCrAlY sistemi haricinde bağ katmanına uygulanabilecek bir başka anahtar malzeme de NiAl'dir. NiAl, çoğunlukla β-NiAl'den oluşur ve 1200℃'den daha yüksek sıcaklıklarda kaplama yüzeyinde sürekli bir yoğun oksit film oluşturduğu için, yeni nesil metal bağ katmanları için en potansiyel aday malzeme olarak kabul edilmektedir. MCrAlY ve geleneksel β-NiAl kaplamalarına kıyasla, PT-düzeltilmiş β-NiAl kaplamaları daha iyi oksidasyon direncine ve korozyon direncine sahiptir. Ancak, yüksek sıcaklıklarda oluşan oksit filmi kötü yapışkanlığa sahip olup, bu da kaplamanın ömrünü büyük ölçüde kısaltacaktır. Bu nedenle, NiAl'in performansını artırmak için araştırmacılar NiAl üzerinde doping değiştirme çalışmalarına girişmiştir. Yang Yingfei ve ark. [37] NiCrAlY kaplaması, NiAl kaplaması, PT-düzeltilmiş NiAl kaplaması ve Pt+Hf ortak doplanmış NiAl kaplaması hazırlayıp, bu dört kaplamanın 1100℃'deki oksidasyon direncini karşılaştırdı. Sonuçlar, en iyi oksidasyon direncinin Pt+Hf ortak doplanmış NiAl kaplamasında olduğunu göstermektedir. Qiu Lin [38], farklı Al içeriğindeki NiAl blok alaşımı ve farklı Hf/Zr içeriğindeki β-NiAl blok alaşımını vakum ark erime yöntemiyle hazırlayıp, Al, Hf ve Zr'nin NiAl alaşımının oksidasyon direnci üzerine etkilerini inceledi. Sonuçlar, NiAl alaşımının oksidasyon direncinin Al içeriğinin artmasıyla arttığını ve β-NiAl alaşımında Hf/Zr eklenmesinin oksidasyon direncini artırmaya yaradığını gösterdi; optimal doping miktarları sırasıyla 0.1 at.% ve 0.3 at.% idi. LI ve ark. [39], elektrodepozisyon ve düşük aktiviteye sahip aluminizasyon teknolojisi kullanarak Mo zengin Ni2Al tabanlı süperalasyonun üzerine yeni bir nadir toprak düzeltilmiş β- (Ni, Pt) Al kaplaması hazırlayıp, bu nadir toprak düzeltilmiş β- (Ni, Pt) Al kaplamasını geleneksel β- (Ni, Pt) Al kaplaması ile karşılaştırdı. 1100℃'de izotermal oksidasyon davranışını inceledi. Sonuçlar, nadir toprak elemanlarının kaplamanın oksidasyon direncini artırdığını göstermektedir.

Özetle, MCrAlY ve NiAl kaplamaları kendi avantajları ve dezavantajları vardır, bu nedenle araştırmacılar bu iki kaplama malzemesi üzerine yapılan değiştirme çalışmalarına devam etmelidir, yeni metal bağlayıcı katman malzemesi geliştirmek için aramaya devam ederek, böylece ağır gaz türbinleri için termal engellemeli kaplama kullanım sıcaklığının daha yüksek olmasına olanak sağlayabilir.