Nền tảng nghiên cứu về lớp phủ rào cản nhiệt
Kể từ khi phát triển thành công tua-bin khí đầu tiên vào năm 1920, tua-bin khí luôn đóng vai trò then chốt trong lĩnh vực phát điện và truyền động. Ngoài ra, cùng với sự phát triển của công nghệ công nghiệp, trình độ kỹ thuật của tua-bin khí công suất lớn không ngừng được cải thiện và cách để nâng cao hiệu suất của tua-bin khí công suất lớn trở nên ngày càng cấp bách. Lưỡi cánh tua-bin là một trong những bộ phận quan trọng của hệ thống đốt của tua-bin khí công suất lớn. Việc tăng nhiệt độ đầu vào của tua-bin có thể hiệu quả nâng cao hiệu suất của tua-bin khí công suất lớn. Do đó, các nhà nghiên cứu liên quan có thể hướng tới việc tăng nhiệt độ đầu vào của tua-bin. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về nhiệt độ hoạt động của tua-bin khí hiệu quả trong tương lai, các lớp phủ rào cản nhiệt thường được phun lên bề mặt các bộ phận nóng.
Năm 1953, khái niệm về lớp phủ rào cản nhiệt lần đầu tiên được đề xuất bởi Viện Nghiên cứu NASA-Lewis tại Hoa Kỳ [13], tức là lớp phủ gốm được phun lên bề mặt các bộ phận làm việc trong môi trường nhiệt độ cao thông qua công nghệ phun nhiệt, nhằm mục đích cách nhiệt và bảo vệ, giảm nhiệt độ bề mặt của cánh quạt, giảm tiêu thụ nhiên liệu của động cơ và kéo dài tuổi thọ của cánh quạt. Lớp phủ rào cản nhiệt đã được ứng dụng rộng rãi trong các linh kiện phần nóng của tua-bin khí công nghiệp và động cơ phản lực (cánh tua-bin và buồng đốt, v.v.) nhờ những đặc tính ưu việt như chi phí chuẩn bị thấp và khả năng bảo vệ cách nhiệt tốt, và được quốc tế công nhận là một công nghệ tiên tiến trong sản xuất tua-bin khí nặng.
Nhiệt độ đầu vào của cánh tuabin có liên quan mật thiết đến hiệu suất làm việc của nó. Chỉ bằng cách tăng nhiệt độ đầu vào của cánh tuabin thì hiệu suất làm việc mới được cải thiện. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và ngành công nghiệp, nhiệt độ làm việc của các bộ phận nóng ở đầu tuabin khí công suất lớn vẫn đang tăng lên, và nhiệt độ giới hạn của hợp kim niken cơ sở cho cánh tuabin là 1150℃, không thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn nữa. Do đó, việc tìm kiếm và phát triển vật liệu lớp phủ rào cản nhiệt có tính chất ưu việt trở nên đặc biệt cấp bách. Trong số đó, vì điều kiện hoạt động của lớp phủ rào cản nhiệt rất khắc nghiệt, nên trong thực tế, điều kiện lựa chọn vật liệu lớp phủ rào cản nhiệt càng trở nên nghiêm ngặt. Vật liệu lớp gốm thường cần có hệ số dẫn nhiệt thấp và điểm nóng chảy cao, không dễ dàng xảy ra biến đổi pha trong khoảng từ nhiệt độ phòng đến nhiệt độ hoạt động, đồng thời cũng cần có hệ số giãn nở nhiệt cao, khả năng kháng sốc nhiệt xuất sắc, khả năng chống kết dính và khả năng kháng ăn mòn [24]. Vật liệu lớp gắn kết cần có khả năng kháng ăn mòn, kháng oxi hóa, cường độ gắn kết tốt và các đặc tính khác [25-26].
Điều kiện hoạt động khắc nghiệt của lớp phủ rào cản nhiệt hạn chế việc lựa chọn vật liệu của nó. Hiện nay, các vật liệu lớp phủ rào cản nhiệt phù hợp cho ứng dụng thực tế rất hạn chế, chủ yếu là vật liệu YSZ và vật liệu YSZ được pha tạp bằng oxit đất hiếm.
(1) zirconia ổn định bằng oxit yttri
Hiện nay, trong các vật liệu gốm, ZrO2 nổi bật nhờ điểm nóng chảy cao, hệ số dẫn nhiệt thấp, hệ số giãn nở nhiệt cao và độ bền khi bị vỡ tốt. Tuy nhiên, ZrO2 thuần khiết có ba dạng tinh thể: pha đơn nghiêng (m), pha lập phương (c) và pha tetragonal (t), và ZrO2 thuần khiết dễ trải qua quá trình biến đổi pha, dẫn đến thay đổi về thể tích, gây ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ của lớp phủ. Do đó, ZrO2 thường được pha tạp với các chất ổn định như Y2O3, CaO, MgO và Sc2O3 để cải thiện tính ổn định pha của nó. Trong số đó, 8YSZ có hiệu suất tốt nhất, nó có độ cứng đủ cao (~ 14 GPa), mật độ thấp (~ 6,4 Mg·m-3), hệ số dẫn nhiệt thấp (~ 2,3 W·m-1·K-1 tại 1000℃), điểm nóng chảy cao (~ 2700℃), hệ số giãn nở nhiệt cao (1,1×10-5 K-1) và nhiều đặc tính tuyệt vời khác. Vì vậy, với vai trò là vật liệu lớp gốm, nó được sử dụng rộng rãi trong các lớp phủ cách nhiệt.
(2) Oxit đất hiếm pha tạp YSZ
Khi YSZ hoạt động trong môi trường trên 1 200 °C trong thời gian dài, quá trình chuyển pha và nén kết thường xảy ra. Mặt khác, pha tetragonal không cân bằng t' chuyển thành hỗn hợp của pha lập phương c và pha tetragonal t, và trong quá trình làm nguội, t' chuyển thành pha monoclinic m, và sự chuyển pha tiếp tục diễn ra cùng với sự thay đổi thể tích, dẫn đến bong tróc nhanh chóng lớp phủ [27]. Mặt khác, quá trình nén kết làm giảm độ xốp trong lớp phủ, giảm hiệu suất cách nhiệt và khả năng chịu biến dạng của lớp phủ, đồng thời tăng độ cứng và mô đun đàn hồi, điều này ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và tuổi thọ của lớp phủ. Do đó, YSZ không thể được áp dụng cho thế hệ động cơ tua-bin khí công suất lớn tiếp theo.
Nói chung, hiệu suất của YSZ có thể được cải thiện bằng cách thay đổi hoặc tăng loại chất ổn định của zirconia, chẳng hạn như phương pháp pha tạp YSZ với oxit đất hiếm [28-30]. Người ta đã phát hiện rằng, sự khác biệt bán kính lớn hơn giữa ion Zr và ion pha tạp, nồng độ khuyết tật càng cao, điều này có thể cải thiện sự tán xạ âm thanh và giảm dẫn nhiệt [31]. CHEN et al. [32] đã sử dụng phương pháp APS để chuẩn bị lớp gốm màng rào nhiệt (LGYYSZ) với La2O3, Yb2O3 và Gd2O3 đồng pha tạp YSZ, và thu được hệ số giãn nở nhiệt và độ dẫn nhiệt của màng rào nhiệt thông qua đo lường và tính toán, cũng như tiến hành thử nghiệm chu kỳ nhiệt ở 1 400℃. Kết quả cho thấy rằng so với lớp phủ YSZ, lớp phủ LGYYSZ có độ dẫn nhiệt thấp hơn, tuổi thọ chu kỳ nhiệt dài hơn và khả năng ổn định pha tốt ở 1 500℃. Li Jia et al. [33] đã chuẩn bị bột YSZ pha tạp Gd2O3 và Yb2O3 bằng phương pháp đồng kết tủa hóa học và chế tạo lớp phủ YSZ pha tạp Gd2O3 và Yb2O3 bằng phương pháp APS, và nghiên cứu ảnh hưởng của các lượng pha tạp oxit khác nhau đến sự ổn định của pha lớp phủ. Kết quả cho thấy rằng sự ổn định pha của lớp phủ YSZ pha tạp Gd2O3 và Yb2O3 tốt hơn so với lớp phủ 8YSZ truyền thống. Pha m xuất hiện ít hơn sau khi xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao khi lượng pha tạp thấp, và pha lập phương ổn định được tạo ra khi lượng pha tạp cao.
So với YSZ truyền thống, vật liệu gốm YSZ được sửa đổi mới có hệ số dẫn nhiệt thấp hơn, điều này khiến lớp phủ rào cản nhiệt có hiệu suất cách nhiệt tốt hơn và cung cấp cơ sở quan trọng cho nghiên cứu về lớp phủ rào cản nhiệt hiệu suất cao. Tuy nhiên, tính năng tổng hợp của YSZ truyền thống là tốt và nó được sử dụng rộng rãi, không thể bị thay thế bởi bất kỳ YSZ được sửa đổi nào.
Lớp kết dính đóng vai trò rất quan trọng trong lớp phủ rào cản nhiệt. Ngoài ra, lớp gốm có thể được gắn chặt vào ma trận hợp kim và giảm thiểu ứng suất nội bộ do sự không khớp hệ số giãn nở nhiệt trong lớp phủ. Hơn nữa, khả năng chống ăn mòn nhiệt và chống oxy hóa của toàn bộ hệ thống lớp phủ có thể được cải thiện bằng cách hình thành một lớp oxit dày đặc ở nhiệt độ cao, từ đó kéo dài tuổi thọ của lớp phủ rào cản nhiệt. Hiện nay, vật liệu thường được sử dụng cho lớp kết dính là hợp kim MCrAlY (M là Ni, Co hoặc Ni+Co, tùy thuộc vào mục đích sử dụng). Trong số đó, NiCoCrAlY được sử dụng rộng rãi trong tua-bin khí công suất lớn vì các tính chất tổng hợp tốt như khả năng chống oxy hóa và chống ăn mòn. Trong hệ thống MCrAlY, Ni và Co được sử dụng làm các nguyên tố ma trận. Do Ni có khả năng chống oxy hóa tốt và Co có khả năng chống mỏi tốt, nên các tính chất tổng hợp của Ni+Co (như khả năng chống oxy hóa và chống ăn mòn) cũng rất tốt. Trong khi Cr được sử dụng để cải thiện khả năng chống ăn mòn của lớp phủ, Al có thể tăng cường khả năng chống oxy hóa của lớp phủ, và Y có thể cải thiện khả năng chống ăn mòn và chống sốc nhiệt của lớp phủ.
Hiệu suất của hệ thống MCrAlY rất xuất sắc, nhưng nó chỉ có thể được sử dụng cho công việc dưới 1 100℃. Để tăng nhiệt độ hoạt động, các nhà sản xuất và nghiên cứu liên quan đã tiến hành nhiều nghiên cứu về việc sửa đổi lớp phủ MCrAlY. Ví dụ, pha tạp các nguyên tố hợp kim khác như W, Ta, Hf và Zr [34] để cải thiện hiệu suất của lớp kết dính. YU et al. [35] đã phun một lớp phủ rào cản nhiệt bao gồm lớp kết dính NiCoCrAlY được điều chỉnh bằng Pt và lớp gốm zirconia ổn định bằng itri (4YSZ) có cấu trúc nano lên hợp kim siêu bền niken thế hệ thứ hai. Hành vi chu kỳ nhiệt của lớp phủ rào cản nhiệt NiCoCrAlY-4YSZ trong không khí và tác động của Pt đến sự hình thành và khả năng chống oxy hóa của TGO đã được nghiên cứu ở 1 100℃. Kết quả cho thấy rằng so với Nicocraly-4YSZ, việc điều chỉnh NiCoCrAlY bằng Pt có lợi cho sự hình thành α-Al2O3 và giảm tốc độ tăng trưởng của TGO, từ đó kéo dài tuổi thọ của lớp phủ rào cản nhiệt. GHADAMI et al. [36] đã chuẩn bị lớp phủ hợp kim nano NiCoCrAlY bằng phương pháp phun ngọn lửa siêu âm với nanoCEO2. Các lớp phủ hợp kim nano NiCoCrAlY với 0.5, 1 và 2% khối lượng nanoCEO2 đã được so sánh với các lớp phủ NiCoCrAlY thông thường. Kết quả cho thấy lớp phủ NICocRALy-1% khối lượng nano-CEO2 có khả năng chống oxy hóa tốt hơn, độ cứng cao hơn và độ xốp thấp hơn so với các lớp phủ NiCoCrAlY thông thường và lớp phủ hợp kim nano NiCoCrAlY khác.
Hiện nay, ngoài hệ thống MCrAlY có thể áp dụng cho lớp liên kết, NiAl cũng là một vật liệu quan trọng của lớp liên kết. NiAl chủ yếu được cấu thành từ β-NiAl, tạo ra một lớp oxit dày đặc và liên tục trên bề mặt lớp phủ ở nhiệt độ cao hơn 1200℃, và được công nhận là vật liệu ứng cử viên tiềm năng nhất cho thế hệ mới của lớp kim loại liên kết. So với MCrAlY và các lớp phủ β-NiAl truyền thống, các lớp phủ β-NiAl được sửa đổi bằng PT có khả năng chống oxy hóa và ăn mòn tốt hơn. Tuy nhiên, lớp oxit hình thành ở nhiệt độ cao có độ bám dính kém, điều này sẽ làm giảm đáng kể tuổi thọ của lớp phủ. Do đó, để cải thiện hiệu suất của NiAl, các nhà nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu về việc sửa đổi bằng pha tạp đối với NiAl. Dương Yingfei và cộng sự [37] đã chế tạo lớp phủ NiCrAlY, lớp phủ NiAl, lớp phủ NiAl được sửa đổi bằng PT và lớp phủ NiAl được đồng pha tạp bởi Pt+Hf, và so sánh khả năng chống oxy hóa của bốn lớp phủ này ở 1100℃. Kết quả cuối cùng cho thấy rằng lớp phủ NiAl được đồng pha tạp bởi Pt+Hf có khả năng chống oxy hóa tốt nhất. Qiu Lin [38] đã chế tạo hợp kim khối NiAl với hàm lượng Al khác nhau và hợp kim khối β-NiAl với hàm lượng Hf/Zr khác nhau bằng phương pháp tan hồ quang chân không, và nghiên cứu ảnh hưởng của Al, Hf và Zr đến khả năng chống oxy hóa của hợp kim NiAl. Kết quả cho thấy khả năng chống oxy hóa của hợp kim NiAl tăng lên khi hàm lượng Al tăng, và việc thêm Hf/Zr vào hợp kim β-NiAl có lợi để cải thiện khả năng chống oxy hóa, với lượng pha tạp tối ưu lần lượt là 0,1 at.% và 0,3 at.%. LI và cộng sự [39] đã chế tạo một lớp phủ β-(Ni, Pt) Al được sửa đổi bằng đất hiếm mới trên siêu hợp kim Ni2Al-dạng Mo giàu bằng công nghệ điện phân và aluminizing hoạt động thấp, và so sánh lớp phủ β-(Ni, Pt) Al được sửa đổi bằng đất hiếm với lớp phủ β-(Ni, Pt) Al truyền thống. Hành vi oxi hóa đẳng nhiệt của lớp phủ Pt) Al ở 1100℃. Kết quả cho thấy rằng các nguyên tố đất hiếm có thể cải thiện khả năng chống oxy hóa của lớp phủ.
Tóm lại, các lớp phủ MCrAlY và NiAl đều có ưu và nhược điểm riêng, vì vậy các nhà nghiên cứu nên tiếp tục kiên trì trong việc nghiên cứu cải tiến trên cơ sở của hai loại vật liệu lớp phủ này, tìm kiếm sự phát triển của các vật liệu lớp kết dính kim loại mới, để nhiệt độ hoạt động của lớp phủ cách nhiệt cho tua-bin khí công suất lớn có thể cao hơn.
Tin tức nóng2024-12-31
2024-12-04
2024-12-03
2024-12-05
2024-11-27
2024-11-26
Đội ngũ bán hàng chuyên nghiệp của chúng tôi đang chờ đợi sự tư vấn của bạn.
EN
AR
BG
HR
CS
DA
NL
FI
FR
DE
EL
HI
IT
JA
KO
NO
PL
PT
RO
RU
ES
SV
TL
IW
LV
LT
SR
SK
SL
UK
VI
ET
HU
TH
TR
AF
MS
GA
IS
