Ağır gaz türbinlerinin ve termal engel kaplamalarının araştırma ilerlemesi ve geliştirme eğilimi (4)

Gaz türbininin termal engel örtüsünün ana özellikleri

Zemin ağır gaz türbinlerinin çalışması genellikle karmaşık bir ortamda gerçekleşir ve bakım döngüsü uzun olabilir, 50.000 saate kadar ulaşabilir. Bu nedenle, gaz türbini termal engel katmanı (TEK) teknolojisini geliştirmek ve TEK'nin hizmet ömrünü uzatmak için son yıllarda araştırmacılar, ısı yalıtımı, oksidasyon direnci, termal şok direnci ve CMAS korozyonu direnci gibi termal engel katmanlarının ana özelliklerinde birçok araştırma yapmıştır. Bunların arasında, ısı yalıtımı, oksidasyon direnci ve termal şok direnci üzerine yapılan araştırmalar oldukça yeterlidir, ancak CMAS korozyonuna karşı direnç konusunda bilgi daha azdır. Aynı zamanda, CMAS korozyonu, termal engel katmanlarının önemli bir başarısızlık modu haline gelmiştir ve bu da son jenerasyon yüksek performanslı gaz türbinlerinin gelişimini engellemektedir. Bu nedenle, bu bölümde önce termal engel katmanlarının ısı yalıtımı, oksidasyon direnci ve termal şok direnci kısa bir şekilde tanıtılmıştır ve ardından Bölüm 4'te termal engel katmanlarının CMAS korozyon mekanizması ve koruma teknolojisi üzerine yapılan araştırma ilerlemeleri odaklanmaktadır.

Isı yalıtımı özelliği

Endüstrinin gelişmesiyle birlikte, yüksek performanslı gaz türbinleri, türbin giriş sıcaklığı için daha yüksek gereksinimler ortaya çıkardı. Bu nedenle, termal engel katmanının (TEK) ısı yalıtımını artırmak çok önemlidir. TEK'nin ısı yalıtımı, kaplamanın malzemesi, yapısı ve hazırlık süreciyle ilgilidir. Ayrıca, TEK'nin hizmet ortamı da ısı yalıtım performansını etkileyebilir.

Isı iletkenliği, genellikle termal engelleme kaplamalarının termal izolasyon performansı için değerlendirme indeksi olarak kullanılır. Liu Yankuan ve ark. [48], APS ile 2 mol.% Eu3+ doplanmış YSZ kaplaması hazırladı ve YSZ kaplamasıyla karşılaştırıldığında, sonuçlar 2 mol.% Eu3+ doplanmış YSZ kaplamasının ısı iletkenliğinin daha düşük olduğunu gösterdi, yani 2 mol.% Eu3+ doplanmış YSZ kaplamasının termal izolasyonunun daha iyi olduğu ortaya çıktı. Kapatılmışların kovuğunun uzaysal ve geometrik özellikleri, ısı iletkenliğine büyük bir etki yaptıkları bulunmuştur [49]. SUN ve ark. [50], farklı kovuk yapılarına sahip termal engelleme kaplamalarının ısı iletkenliği ve elastik modülü üzerine bir karşılaştırma çalışması gerçekleştirdi. Sonuçlar, termal engelleme kaplamasının ısı iletkenliğinin ve elastik modülünün, kovuk boyutunun azalmasıyla birlikte azaldığını göstermektedir ve kovukluluk oranı ne kadar yüksekse, ısı iletkenliği o kadar düşüktür. Sayısız araştırmaya göre, EB-PVD kaplamasına kıyasla, APS kaplaması daha iyi termal izolasyona sahiptir, çünkü APS kaplaması daha yüksek kovukluluk oranına ve daha düşük ısı iletkenliğine sahiptir [51]. RATZER-SCHEIBE ve ark. [52], EB-PVD PYSZ kaplamasının kalınlığının ısı iletkenliğine olan etkisini inceledi ve sonuçlar, EB-PVD PYSZ kaplamasının kalınlığının ısı iletkenliğini nasıl etkilediğini gösterdi, yani kaplama kalınlığı da termal engelleme kaplamasının termal izolasyon performansını etkileyen önemli faktörlerden biriydi. Gong Kaisheng ve ark. [53] tarafından yapılan araştırma sonuçları aynı zamanda, gerçek uygulama kaplaması kalınlığı aralığında, kaplamanın termal izolasyon performansının kalınlığına ve çevresel sıcaklık farkına orantılı olduğunu göstermektedir. Ancak kaplama kalınlığı arttıkça, termal izolasyon performansı güçlenebilir; ancak kaplamaların kalınlığı belirli bir değere ulaşana kadar devam ederse, bu stres odaklarının kaplamada oluşmasına neden olabilir ve erken başarısızlığa yol açabilir. Bu nedenle, kaplamanın termal izolasyon performansını artırmak ve hizmet ömrünü uzatmak için kaplama kalınlığı rasyonel şekilde düzenlenmelidir.

oksitasyon direnci

Yüksek sıcaklıkta oksidasyon koşulları altında, termal engel katmanında (TEK) kolayca bir TGO tabakası oluşur. TGO'nun termal engel kaplaması üzerindeki [54] etkisi iki yüzlüdür: Bir yandan, oluşan TGO, oksijenin içeriye devam ederek yayılmasını önleyebilir ve alaşım matrisinin oksidasyonundaki dış etkiyi azaltabilir. Diğer yandan, sürekli kalınlayan TGO, büyük elastik modülü ve yapışkan katmanla olan ısıl genleşme katsayıları arasındaki büyük fark nedeniyle, soğuma sırasında büyük streslerin ortaya çıkmasına neden olabilir, bu da kapakatinum hızlıca düşmesine neden olacaktır. Bu nedenle, TEK'nin ömrünü uzatmak için kaplamanın oksidasyon direncini geliştirmek acildir.

XIE ve ark. [55], TGO'nun oluşumu ve büyüme davranışını inceledi, bu da çoğunlukla iki aşamaya ayrıldı: önce, yoğun α -Al2O3 film bağlama katmanı üzerinde oluştu ve ardından keramik katman ile arasında poroz karışık oksit oluştu α -Al2O3. Sonuçlar göstermektedir ki, termal engel kaplamadaki çatlakların ana nedeni TGO'daki poroz karışık oksit, değil α -Al2O3. LIU ve ark. [56] TGO'nun büyüme oranını iki aşamalı gerilim evriminin sayısal analizi aracılığıyla daha iyi bir şekilde simüle etmek için geliştirilmiş bir yöntem önerdiler, böylece termal engel kaplamalarının ömrü doğru bir şekilde tahmin edilebilir. Bu nedenle, poroz harmful karışık oksitlerin büyüme oranını kontrol etmek suretiyle TGO kalınlığının etkili bir şekilde kontrol edilebilir ve termal engel kaplamalarının erken başarısızlığı önlenebilir. Sonuçlar gösteriyor ki, çift-seramik termal engel kaplamasının kullanılması, kaplama yüzeyine koruyucu tabaka yatırılması ve kaplama yüzeyi yoğunluğunun artırılması ile TGO'nun büyümeleri geciktirilebilir ve kaplamaların oksidasyon dayanımı belirli ölçüde artırılabilir. AN ve ark. [57] APS teknolojisi kullanarak iki tür termal engel kaplaması hazırladı: TGO'nun oluşumu ve büyüme davranışı 1 100 santigrat derecede izotermal oksidasyon testleri ile incelendi. ℃ . İlki YAG/YSZ çift keramik engel katmanı (DCL TBC) ve ikincisi YSZ tek keramik engel katmanı (SCL TBC) dir. Araştırma sonuçları gösteriyor ki, TGO'nun oluşumu ve büyüme süreci termodinamik yasalarına uymaktadır, Şekil 5'te gösterildiği gibi: Formül (1) ~ (8)'e göre, önce Al2O3 oluşur ve ardından Y iyonunun oksidasyonu Al2O3 TGO yüzeyinde çok ince bir Y2O3 tabakası oluşturur ve bu iki madde birbirleriyle reaksiyona girerek Y3Al5O12'yi oluştururlar. Al iyonunun miktarı belirli bir değere kadar azaldığında, bağ katmanındaki diğer metal elemanları önceki ve sonraki oksitleme süreçlerinde karışık oksitler (Cr2O3, CoO, NiO ve spinel oksitleri vb.) oluştururlar; önce Cr2O3, CoO, NiO oluştururlar ve ardından bunlar (Ni, Co) O ve Al2O3 ile reaksiyona girerek (Ni, Co) Al2O4 oluştururlar. (Ni, Co) O ayrıca Cr2O3 ile reaksiyona girerek (Ni, Co) Al2O4 oluşturur. SCL TBC'e kıyasla, DCL TBC'deki TGO'nun oluşumu ve büyüme oranı daha yavaş olduğundan daha iyi yüksek sıcaklıkta oksijenli antioksidan özelliklere sahiptir. Xu Shiming ve ark. [58] manyetron sıvılaşmasını kullanarak 7YSZ kaplamasının yüzeyine bir film depolamışlardır. Isı işlemden sonra α -Al2O3 katmanı in-situ reaksiyon ile oluşturuldu. Çalışma, Al2O3 katmanının kaplamanın oksidasyon direncini, oksijen iyonu difüzyonunu önlemek için oluşturulan yüzeye bağlı olarak artırdığını gösterdi. α -Al2O3 katmanı kaplamaya uygulanan APS YSZ kaplamasının yüzeyinde lazer yeniden erime işlemiyle elde edilmiştir. FENG ve ark. [59], APS YSZ kaplamasının yüzeyindeki lazer yeniden erimenin kaplamanın oksidasyon direncini artırdığını göstermiştir. Bunun nedeni, lazer yeniden erimenin kaplamanın yoğunlaşmasını artırması ve bu da TGO'nun büyümelerini geciktirmesidir.

Isı Şok Direnci

Ağır işlevli gaz türbinlerinin sıcak uç bileşenleri yüksek sıcaklık ortamında hizmete girerken, genellikle hızlı sıcaklık değişikliği nedeniyle termal şok yaşarlar. Bu nedenle, termal engel katmanının termal şok dayanımını artırmak suretiyle alaşım parçaları korunabilir. Termal engel kaplamasının termal şok dayanımı, genellikle yüksek sıcakta bir süre tutulduktan sonra havaya veya suya çıkarılarak soğutulan bir termal döngü (termal şok) testi ile denenir. Termal engel kaplamasının termal şok dayanımı, kaplama başarısız olduğunda yaşadığı termal döngü sayısına göre değerlendirilir. Araştırmalar, gradyan yapısı olan termal engel kaplamasının termal şok dayanımının daha iyi olduğunu göstermektedir, ana sebebi ise gradyan yapılı termal engel kaplamasının kalınlığının küçük olmasıdır, bu da kaplamadaki termal strese karşı gecikmeyi sağlar [60]. ZHANG ve ark. [61] 1000 derece Celsius'ta termal döngü testleri gerçekleştirdi. ℃ lazer erime yöntemiyle elde edilen NiCrAlY / 7YSZ termal engel katmanının üç farklı şekli olan leke, çizgi ve ızgara formlarının incelendiği ve püskürtme öncesi ve sonrası için farklı şekillerdeki üç numune üzerinde termal şok direncinin araştırıldığı bildirildi. Elde edilen sonuçlara göre, nokta numunesi en iyi termal şok direncine sahip olup, termal döngü ömrü püskürtme numunesinin iki katıdır. Ancak, şerit ve ızgara numunelerinin termal şok direnci, püskürtme numunelerinden daha kötüdür, bu da Şekil 6'da gösterilmiştir. Ayrıca, birçok çalışmanın yeni kaplama malzemelerinin iyi termal şok direncine sahip olduğunu göstermesi dikkat çekicidir; örneğin ZHOU ve arkadasları tarafından önerilen SrAl12O19 [62], LIU ve arkadaşları tarafından önerilen LaMgAl11O19 [63] ve HUO ve arkadaşları tarafından önerilen Sm2 (Zr0.7Ce0.3) 2O7 [64]. Bu nedenle, termal engel kaplamasının termal şok direncini artırmak için, kaplamaların yapısal tasarımı ve iyileştirilmesi yanı sıra, iyi termal şok direncine sahip yeni malzemelerin bulunması ve geliştirilmesi de mümkün olacaktır.