Дослідження прогресу та напрямків розробки важких газотурбінних двигунів та їх термічних бар'єрних покриттів (2)

Термічний бар'єрний покриття

Наукове обґрунтування термічних бар'єрних покриттів

Оскільки успішна розробка першого газотурбінного двигуна у 1920 році, газотурбінний двигун завжди відіграв ключову роль у сфері виробництва електроенергії та приводу. Крім того, з розвитком промислової технології, технічний рівень великогабаритних газотурбінних двигунів постійно поліпшується, і як вдосконалити ефективність великогабаритних газотурбінних двигунів стає все набагато актуальнішим. Тurbіновий лист є одним із важливих компонентів системи спалювання великогабаритного газотурбінного двигуна. Збільшення температури на вході до турбіни може ефективно поліпшити ефективність великогабаритного газотурбінного двигуна. Отже, відповідні дослідники можуть працювати над підвищеннем температури на вході до турбіни. Щоб задовольнити зростаючі вимоги до температури експлуатації майбутніх ефективних газотурбінних двигунів, зазвичай на поверхню гарячих компонентів опрыскиваються термічні бар'єрні покриття.

У 1953 році концепція термічного бар'єрного покриття вперше була запропонована NASA-Lewis Research Institute в США [13], тобто, керамічне покриття наноситься на поверхню деталей, що працюють у високотемпературному середовищі за допомогою технології термічного наплавлення, щоб забезпечити теплозахист і захист, зменшити температуру поверхні лопатки, знизити витрату палива двигуна і продовжити термін служби лопатки. Термічне бар'єрне покриття отримало широке застосування у гарячих елементах промислових газотурбінних двигунів та авіадвигунів (турбінних лопатках та камерах згоряння тощо) завдяки своїм відмінним характеристикам, таким як низька вартість виготовлення та хороша термічна ізоляція, і вважається міжнародно признаною передньою технологією для виробництва важких газотурбін.

Системна структура термічного бар'єрного покриття

• З прогресом та розвитком науки та технологій температура входу газотурбін стає все вище. Щоб досягти кращого термоізоляційного ефекту термобарierного покриття, більшість досліджень у світі зосереджуються на проектуванні структури термобарierного покриття, що достатньо показує важливість структури термобарierного покриття [14]. За різною структурою покриття воно може бути поділене на двослойну, багатослойну та градієнтну структуру [15].
• Серед них, двослойне термічне бар'єрне покриття, що складається з керамічного шару та шару з'єднання, як найпростіше і більш вдосконалене термічне бар'єрне покриття серед усіх структур покриттів, широко використовується в технології термічних бар'єрних покриттів. Серед них, найширокше використовуване двослойне структурне термічне бар'єрне покриття має 6 вт.% ~ 8 вт.% цирконію, стабілізовану йттрієм (6-8YSZ) як матеріал зовнішнього керамічного шару, а також сплав MCrAlY (M=Ni, Co, Ni+Co тощо) як металевий матеріал з'єднуючого шару [16]. Проте через неспівпадіння коефіцієнта термічного розширення керамічного шару та металевого з'єднуючого шару легко виникає напруження у покритті та призводить до раннього відколу покриття.
• Щоб покращити ефективність термальної бар'єрної оболонки, дослідники підготували багатошарову структурну термальну бар'єрну оболонку з відносно складною структурою (композитна оболонка), тобто кілька шарів ізоляції та бар'єрних шарів додаються на основі двошарової структурної термальної бар'єрної оболонки, загалом п'ять шарів. Серед них, найбільше досліджуваних блокуючих шарів головним чином включають Al2O3, NiAl тощо [17]. ФЕНГ та ін. [18] використали АРS для підготовки термальної бар'єрної оболонки YSZ та LZ/YSZ термальної бар'єрної оболонки (La2Zr2O7/ZrO2-Y2O3 двозначного керамічного шару термальної бар'єрної оболонки), а також використали лазерну переплавлення технологію для переплавлення поверхні оболонки, а потім провели високотемпературний оксидувальний тест при 1100℃. Результати показують, що у порівнянні з термальною бар'єрною оболонкою YSZ, LZ/YSZ подвійна керамічна термальна бар'єрна оболонка має кращий опор супроти оксидування. Нехай ефективність багатошарової термальної бар'єрної оболонки краща за двошарову термальну бар'єрну оболонку, її структура та процес підготовки складніші, і її стійкість до теплових шоків слабша, тому її практичне застосування обмежене. Тому градієнтна структура термальної бар'єрної оболонки виникає.
• Градієнтна структура термічного бар'єрного покриття визначається неперервним градієнтним зміненням складу та структури уздовж напрямку товщини покриття, що призводить до невидимої межі між шарами. У порівнянні з двослойною та багатослойною структурою, градієнтне термічне бар'єрне покриття має не лише високу стійкість до термічних шоків, але й проявляє неперервне градієнтне змінення характеристик, тому воно має特性 characteristics зменшення термічного стресу і може застосовуватися у важких високотемпературних умовах. Головні технології функціонально градієнтних термічних бар'єрних покриттів були розглянуті паном. Незважаючи на те, що існує багато методів підготовки, градієнтна структура термічного бар'єрного покриття в практиці є поганою через складний процес підготовки, важко керовані структурні компоненти і високу вартість.
• У підсумку, двослойне термічне бар'єрне покриття широко використовується, і процес є досконалим, а воно все ще є першочерговою структурною формою термічного бар'єрного покриття. Керамічний шар та з'єднуючий шар [20] наносяться на сплавний матрикс за допомогою технології термічного напищення. У умовах високотемпературного оксидування після оксидування утворюється тонкий шар теплових оксидів на поверхні з'єднуючого шару, як показано на рисунку 1. Серед них, сплавний матрикс, як компонент, захищений термічним бар'єрним покриттям, може виконувати функцію несучості зовнішніх механічних навантажень, а його матеріал головним чином є високотемпературним і оксидно-стійким никелевим супeralloy. Функція з'єднуючого шару полягає в тому, щоб підвищити з'єднуючу силу між керамічним шаром та сплавним матриксом, товщина зазвичай становить 50 ~ 150 µm, а матеріал зазвичай вибирають MCrAlY (M=Ni/Co/Ni+Co), який має невелику різницю у коефіцієнті термічного розширення сплавного матрикса. Тепловий оксидний шар (TGO) головним чином є видом тонкої плівки α-Al2O3, що утворюється між керамічним шаром і з'єднуючим шаром у високотемпературному оксидувальному середовищі, з товщиною 1 ~ 10 µm, що має великий вплив на покриття. Керамічний шар виконує функції теплоізоляції, корозійної стійкості та стійкості до ударів [21], товщина зазвичай становить 100 ~ 400 μm, а матеріал головним чином є 6-8YSZ з низьким коефіцієнтом теплопровідності та відносно високим коефіцієнтом термічного розширення [22].

Матеріали термобар'єрного покриття

Температура входу лопатки турбіни тісно пов'язана з її робочою ефективністю. Тільки підвищуючи температуру входу лопатки турбіни, можна покращити її ефективність. Проте, з розвитком науки, технологій та промисловості, робоча температура горячих частин важких газотурбін постійно зростає, а гранична температура для лопаток з никелевого сплаву становить 1150℃, вище якої вони більше не можуть працювати. Отже, особливо актуально знайти і розробити матеріали термічних бар'єрних покриттів з відмінними властивостями. Серед них, через те, що умови експлуатації термічних бар'єрних покриттів дуже погані, у реальному процесі вимоги до вибору матеріалів термічних бар'єрних покриттів є більш суворими. Зазвичай вимагається, щоб керамічний шар матеріалу мав низьку теплопровідність і високу температуру плавлення, не піддавався фазовим перетворенням у діапазоні від кімнатної температури до температури експлуатації, а також мав високий коефіцієнт термічного розширення, відмінну стійкість до термічних шоків, опекання і корозії [24]. Від матеріалу з'єднуючого шару вимагається стійкість до корозії, оксидування, гарна з'єднувальна сила та інші властивості [25-26].

Матеріал керамічного шару

Складні умови експлуатації теплозащитного покриття обмежують вибір його матеріалів. На сьогоднішній день матеріали теплозащитного покриття, придатні для практичного застосування, дуже обмежені, головним чином це матеріали YSZ та редкоземельні оксиди, доячені до YSZ.

(1) оксид іттрію стабілізований цирконій

На даний момент серед керамічних матеріалів видається ZrO2 завдяки своїй високій температурі плавлення, низькій теплопровідності, високому коефіцієнту термічного розширення та хорошій стійкості до тріщин. Проте, чистий ZrO2 має три кристалографічні форми: моноклінну (m) фазу, кубову (c) фазу та тетрагональну (t) фазу, і чистий ZrO2 легко піддається фазовим перетворенням, що призводить до зміни об'єму, що має небезпечний вплив на тривалість покриття. Тому ZrO2 часто доповнюють стабілізаторами, такими як Y2O3, CaO, MgO та Sc2O3 для поліпшення його фазової стійкості. Серед них 8YSZ має найкращі характеристики, він має достатню твердість (~ 14 ГПа), низьку густину (~ 6.4 Мг·м-3), низьку теплопровідність (~ 2.3 Вт·м-1 ·К-1 при 1000℃), високу температуру плавлення (~ 2700℃), високий коефіцієнт термічного розширення (1.1×10-5 К-1) та інші відмінні властивості. Отже, як матеріал керамічного шару, він широко використовується у термобарєрних покриттях.

(2) Рідкоземельні оксиди, допущені до YSZ

Коли YSZ працює у середовищі вище 1200 °C протягом довгого часу, зазвичай відбуваються фазові переходи та спекання. З одного боку, неузгоджена тетрагональна фаза t' перетворюється на суміш кубичної фази c та тетрагональної фази t, а під час охолодження t' перетворюється у моноклінну фазу m, і фазовий перехід відбувається постійно разом з зміною об'єму, що призводить до швидкого відшарування покриття [27]. З іншого боку, спекання зменшує пористість у покритті, зменшує теплову ізоляційну властивість та твердьому розтягненню покриття, збільшує твердість і пружний модуль, що значно впливає на якість та тривалість життя покриття. Отже, YSZ не може бути застосований до наступного покоління важких газотурбінних двигунів.

Загалом, ефективність YSZ можна покращити шляхом зміни або збільшення типу стабілізатора цирконію, наприклад, методом доспіву YSZ рідкоземельними оксидами [28-30]. Виявлено, що чим більша різниця у радіусі між іонами Zr і доспіваними іонами, тим вища концентрація дефектів, що може покращити розсіювання фононів і зменшити теплопровідність [31]. CHEN та ін. [32] використали APS для приготування керамічного шару термічної бар'єрної оболонки (LGYYSZ) з La2O3, Yb2O3 та Gd2O3 спільно доспіваним YSZ, і отримали коефіцієнт термічного розширення та теплопровідність термічної бар'єрної оболонки шляхом вимірювань та обчислень, а також провели тест термічного циклу при 1400℃. Результати показують, що у порівнянні з оболонкою YSZ, оболонка LGYYSZ має нижчу теплопровідність, довший термічний цикл життя та хорошу фазову стійкість при 1500℃. Лі Цзя та ін. [33] приготували порошок YSZ, доспіваний Gd2O3 та Yb2O3 методом хімічної спільної коопалесенції, і приготували оболонку YSZ, доспіваний Gd2O3 та Yb2O3 за допомогою APS, досліджуючи вплив різних кількостей оксидного доспіву на стійкість фази оболонки. Результати показують, що фазова стійкість оболонки YSZ, доспіваний Gd2O3 та Yb2O3, краща, ніж у традиційної оболонки 8YSZ. Фаза m менша після термічної обробки при високих температурах, коли кількість доспіву низька, і стабільна кубна фаза виникає, коли кількість доспіву висока.

У порівнянні з традиційним YSZ, новий модифікований керамічний матеріал YSZ має нижчу теплопровідність, що робить термальну бар'єрну покриття кращим за теплоізоляційні властивості, і надає важливу основу для дослідження високопродуктивних термальних бар'єрних покриттів. Проте, комплексні властивості традиційного YSZ добрі, його широко використовують, і жоден модифікований YSZ не може його замінити.

Матеріал слоя зв'язки

Шар зв'язування є дуже важливим у термічному бар'єрному покритті. Крім того, керамічний шар можна тісно зв'язати з матрицею сплаву, а внутрішній стрес, спричинений несумісністю коефіцієнта теплового розширення у покритті, можна зменшити. Також за допомогою утворення густої оксидної плівки при високих температурах можна покращити термічну корозійну стійкість і оксидуючу стійкість всього системи покриття, що продовжить життєздатність термічного бар'єрного покриття. На сьогоднішній день матеріалом для шару зв'язування зазвичай є сплав MCrAlY (M - це Ni, Co або Ni+Co, залежно від використання). Серед них, NiCoCrAlY широко використовується у промислових газотурбінових двигунах через свої хороші комплексні властивості, такі як оксидуюча та корозійна стійкість. У системі MCrAlY Ni і Co використовуються як матричні елементи. Завдяки добрий оксидуючій стійкості Ni і гарній вигинній стійкості Co, комплексні властивості Ni+Co (такі як оксидуюча та корозійна стійкість) є хорошими. Поки що Cr використовується для покращення корозійної стійкості покриття, Al може підвищити оксидуючу стійкість покриття, а Y може покращити його корозійну та термічну шокову стійкість.

Ефективність системи MCrAlY відмінна, але її можна використовувати лише при температурі нижчій за 1100℃. Щоб підвищити температурну стійкість, виробники та дослідники провели багато досліджень з модифікації покриття MCrAlY. Наприклад, додавання інших сплавуючих елементів, таких як W, Ta, Hf та Zr [34], для покращення характеристик шару з'єднання. YU та ін. [35] нанесли термічний бар'єрний спой на друге покоління никелевого суперсплаву, що складається з модифікованого Pt шару з'єднання NiCoCrAlY та наноструктурованого 4 вагових % цирконію, стабілізованого іттриєм (4YSZ) керамічного шару. Досліджувалося термічне циклування NiCoCrAlY-4YSZ термічного бар'єрного покриття в повітрі та вплив Pt на утворення та опору окислення TGO при 1100℃. Результати показують, що порівняно з Nicocraly-4YSZ, модифікація NiCoCrAlY за допомогою Pt сприяє утворенню α-Al2O3 та зниженню швидкості росту TGO, що продовжує тривалість термічного бар'єрного покриття. GHADAMI та ін. [36] підготували нанокомпозитне покриття NiCoCrAlY методом сверхзвукового пламенного написання з наноCEO2. Порівнювались нанокомпозитні покриття NiCoCrAlY з 0,5, 1 та 2 ваговими % наноCEO2 з традиційними покриттями NiCoCrAlY. Результати показують, що NICocRALy-1 ваговий % нано-CEO2 композитне покриття має кращу опору окисленню, вищу твердість та меншу пористість, ніж інші традиційні покриття NiCoCrAlY та нанокомпозитні покриття NiCoCrAlY.

На даний час, крім системи MCrAlY, яка може застосовуватися як об'єднуючий шар, NiAl також є ключовим матеріалом для об'єднуючого шару. NiAl головним чином складається з β-NiAl, який утворює неперервну густу оксидну фільму на поверхні покриття при температурах вище 1200℃ і визнається найбільш перспективним кандидатом на роль матеріалу для нового покоління металевих об'єднуючих шарів. У порівнянні з MCrAlY та традиційними β-NiAl покриттями, PT-модифіковані β-NiAl покриття мають кращу опору до окислення та корозії. Проте, оксидна фільма, що утворюється при високих температурах, має слабку адгезію, що значно скорочує тривалість покриття. Тому, для покращення властивостей NiAl, дослідники провели дослідження модифікації NiAl за допомогою доповнень. Ян Йінґфей та ін. [37] підготували покриття NiCrAlY, NiAl, PT-модифіковане NiAl покриття та Pt+Hf спільно-доповнене NiAl покриття, і порівняли їхню опору до окислення при 1100℃. Кінцеві результати показують, що найкращу опору до окислення має Pt+Hf спільно-доповнене NiAl покриття. Ціу Лін [38] підготував блочний сплав NiAl з різним вмістом Al та β-NiAl блочний сплав з різним вмістом Hf/Zr методом вакуумного дугового плавлення, і дослідив вплив Al, Hf та Zr на опору до окислення сплаву NiAl. Результати показали, що опора до окислення сплаву NiAl зростала з збільшенням вмісту Al, а додавання Hf/Zr до β-NiAl сплаву було корисним для покращення опори до окислення, і оптимальні кількості додатків становили відповідно 0,1 ат.% та 0,3 ат.%. Лі та ін. [39] підготували новий рідкоземельний модифікований β- (Ni, Pt) Al сплав на Mo-багатому сплаві Ni2Al методом електродепозиції та технології низькоактивного алюмінізації, і порівняли рідкоземельний модифікований β- (Ni, Pt) Al сплав з традиційним β- (Ni, Pt) Al сплавом. Изотермічне поведінкове окислення Pt) Al покриття при 1100℃. Результати показують, що рідкоземельні елементи можуть покращити опору до окислення покриття.

У підсумку, покриття MCrAlY та NiAl мають свої переваги та недоліки, тому дослідникам слід продовжувати модифікаційні дослідження на основі цих двох матеріалів для покриття, шукати розробок нових матеріалів металевого з'єднання, щоб температура експлуатації термобар'єрного покриття для великотонажних газових турбин була вище.