Tiến bộ nghiên cứu và xu hướng phát triển của tua-bin khí công suất lớn và lớp phủ rào cản nhiệt (4)

Thuộc tính chính của lớp phủ rào cản nhiệt tuabin khí

Do công việc của tua-bin khí nặng mặt đất thường diễn ra trong môi trường phức tạp, và chu kỳ bảo trì dài, có thể lên đến 50.000 giờ. Vì vậy, để cải thiện công nghệ lớp phủ rào cản nhiệt của tua-bin khí và kéo dài tuổi thọ của lớp phủ rào cản nhiệt, trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã tiến hành nhiều nghiên cứu về các đặc tính quan trọng của lớp phủ rào cản nhiệt, chẳng hạn như khả năng cách nhiệt, kháng oxy hóa, khả năng chống sốc nhiệt và khả năng kháng ăn mòn CMAS. Trong đó, các nghiên cứu về khả năng cách nhiệt, kháng oxy hóa và chống sốc nhiệt của lớp phủ rào cản nhiệt đã được thực hiện tương đối đầy đủ, nhưng khả năng kháng ăn mòn CMAS còn khá khan hiếm. Đồng thời, sự ăn mòn CMAS đã trở thành một chế độ hỏng hóc chính của lớp phủ rào cản nhiệt, cản trở sự phát triển của thế hệ tua-bin khí hiệu suất cao tiếp theo. Do đó, phần này trước tiên sẽ giới thiệu ngắn gọn về khả năng cách nhiệt, kháng oxy hóa và chống sốc nhiệt của lớp phủ rào cản nhiệt, sau đó tập trung vào tiến bộ nghiên cứu về cơ chế ăn mòn CMAS và công nghệ bảo vệ của lớp phủ rào cản nhiệt ở Phần 4.

Tính chất cách nhiệt

Với sự phát triển của ngành công nghiệp, tua-bin khí hiệu suất cao đã đặt ra những yêu cầu cao hơn đối với nhiệt độ đầu vào của tua-bin. Do đó, việc cải thiện khả năng cách nhiệt của lớp phủ rào cản nhiệt trở nên rất quan trọng. Khả năng cách nhiệt của lớp phủ rào cản nhiệt liên quan đến vật liệu, cấu trúc và quy trình chuẩn bị của lớp phủ. Ngoài ra, môi trường hoạt động của lớp phủ rào cản nhiệt cũng sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất cách nhiệt của nó.

Độ dẫn nhiệt thường được sử dụng như chỉ số đánh giá hiệu suất cách nhiệt của lớp phủ rào cản nhiệt. Liu Yankuan và cộng sự [48] đã chế tạo lớp phủ YSZ doped 2 mol.% Eu3+ bằng phương pháp APS, và so sánh với lớp phủ YSZ thông thường, kết quả cho thấy độ dẫn nhiệt của lớp phủ YSZ doped 2 mol.% Eu3+ thấp hơn, nghĩa là khả năng cách nhiệt của lớp phủ YSZ doped 2 mol.% Eu3+ tốt hơn. Người ta phát hiện rằng đặc điểm không gian và hình học của các lỗ chân lông trong lớp phủ có ảnh hưởng lớn đến độ dẫn nhiệt [49]. SUN và cộng sự [50] đã tiến hành nghiên cứu so sánh về độ dẫn nhiệt và mô đun đàn hồi của các lớp phủ rào cản nhiệt có cấu trúc lỗ khác nhau. Kết quả cho thấy độ dẫn nhiệt và mô đun đàn hồi của lớp phủ rào cản nhiệt giảm khi kích thước lỗ giảm, và tỷ lệ lỗ chân lông càng cao thì độ dẫn nhiệt càng thấp. Nhiều nghiên cứu cho thấy so với lớp phủ EB-PVD, lớp phủ APS có khả năng cách nhiệt tốt hơn, vì lớp phủ APS có tỷ lệ lỗ chân lông cao hơn và độ dẫn nhiệt thấp hơn [51]. RATZER-SCHEIBE và cộng sự [52] đã nghiên cứu tác động của độ dày lớp phủ EB-PVD PYSZ đối với độ dẫn nhiệt, và kết quả cho thấy độ dày lớp phủ EB-PVD PYSZ ảnh hưởng đáng kể đến độ dẫn nhiệt của nó, tức là độ dày lớp phủ cũng là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất cách nhiệt của lớp phủ rào cản nhiệt. Kết quả nghiên cứu của Gong Kaisheng và cộng sự [53] cũng cho thấy rằng trong phạm vi độ dày ứng dụng thực tế của lớp phủ, hiệu suất cách nhiệt của lớp phủ tỷ lệ thuận với độ dày và sự chênh lệch nhiệt độ môi trường. Mặc dù hiệu suất cách nhiệt của lớp phủ rào cản nhiệt sẽ tăng lên khi độ dày tăng, nhưng khi độ dày tiếp tục tăng đến một giá trị nhất định, dễ gây ra tập trung ứng suất trong lớp phủ, dẫn đến thất bại sớm. Do đó, để tăng cường hiệu suất cách nhiệt của lớp phủ và kéo dài thời gian sử dụng, cần điều chỉnh hợp lý độ dày lớp phủ.

khả năng chống oxy hóa

Trong điều kiện oxi hóa nhiệt độ cao, một lớp TGO dễ dàng hình thành trong lớp phủ rào cản nhiệt. Ảnh hưởng của TGO đối với lớp phủ rào cản nhiệt [54] có hai mặt: Một mặt, TGO đã hình thành có thể ngăn chặn oxy tiếp tục khuếch tán vào bên trong và giảm tác động từ bên ngoài đến quá trình oxi hóa của ma trận hợp kim. Mặt khác, khi TGO liên tục dày lên, do mô đun đàn hồi lớn và sự chênh lệch lớn giữa hệ số giãn nở nhiệt của nó và lớp dính, cũng dễ dàng tạo ra ứng suất lớn trong quá trình làm nguội, dẫn đến lớp phủ bị bong tróc nhanh chóng. Do đó, để kéo dài tuổi thọ của lớp phủ rào cản nhiệt, việc cải thiện khả năng chống oxi hóa của lớp phủ là cấp thiết.

XIE et al. [55] đã nghiên cứu về quá trình hình thành và phát triển của TGO, được chia thành chủ yếu hai giai đoạn: trước tiên, một lớp đặc α -Lớp phim Al2O3 đã được hình thành trên lớp kết dính, sau đó một oxit hỗn hợp xốp được tạo thành giữa lớp gốm và α -Al2O3. Kết quả cho thấy rằng chất chính gây ra các vết nứt trong lớp phủ hàng rào nhiệt là oxit hỗn hợp xốp trong TGO, không phải α -Al2O3. LIU et al. [56] đã đề xuất một phương pháp cải tiến để mô phỏng tốc độ tăng trưởng của TGO thông qua phân tích số liệu về sự tiến hóa của ứng suất trong hai giai đoạn, nhằm dự đoán chính xác tuổi thọ của lớp phủ rào cản nhiệt. Do đó, độ dày của TGO có thể được kiểm soát hiệu quả bằng cách kiểm soát tốc độ tăng trưởng của các oxit hỗn hợp xốp có hại, nhằm tránh sự hỏng sớm của lớp phủ rào cản nhiệt. Kết quả cho thấy rằng việc tăng trưởng của TGO có thể bị trì hoãn bằng cách sử dụng lớp phủ rào cản nhiệt gốm kép, lắng đọng lớp bảo vệ trên bề mặt lớp phủ và cải thiện mật độ bề mặt của lớp phủ, từ đó nâng cao khả năng kháng oxy hóa của lớp phủ ở một mức độ nhất định. AN et al. [57] đã sử dụng công nghệ APS để chế tạo hai loại lớp phủ rào cản nhiệt: Hành vi hình thành và tăng trưởng của TGO đã được nghiên cứu thông qua các thử nghiệm oxi hóa đẳng nhiệt ở 1 100 ℃ . Thứ nhất là lớp phủ gốm kép YAG/YSZ (DCL TBC) và thứ hai là lớp phủ gốm đơn YSZ (SCL TBC). Kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình hình thành và phát triển của TGO tuân theo các quy luật của nhiệt động học, như được thể hiện trong Hình 5: Theo công thức (1) ~ (8), Al2O3 được tạo ra trước tiên, sau đó sự oxi hóa ion Y tạo thành một lớp cực kỳ mỏng Y2O3 trên bề mặt TGO Al2O3, và hai chất này phản ứng với nhau để tạo thành Y3Al5O12. Khi ion Al bị giảm xuống một giá trị nhất định, các nguyên tố kim loại khác trong lớp liên kết bị oxi hóa trước và sau đó tạo thành các oxit hỗn hợp (Cr2O3, CoO, NiO và oxit spinel, v.v.), trước tiên tạo thành Cr2O3, CoO, NiO, sau đó phản ứng với (Ni, Co) O và Al2O3 để tạo thành (Ni, Co) Al2O4. (Ni, Co) O phản ứng với Cr2O3 để tạo thành (Ni, Co) Al2O4. So với SCL TBC, tốc độ hình thành và phát triển của TGO trong DCL TBC chậm hơn, do đó nó có tính chống oxi hóa ở nhiệt độ cao tốt hơn. Xu Shiming và cộng sự [58] đã sử dụng phún xạ từ trường để lắng đọng một lớp phim trên bề mặt lớp phủ 7YSZ. Sau khi xử lý nhiệt, α -Lớp Al2O3 được tạo ra bởi phản ứng in-situ. Nghiên cứu cho thấy rằng α -Lớp Al2O3 hình thành trên bề mặt lớp phủ có thể cải thiện khả năng kháng oxy hóa của lớp phủ bằng cách ngăn chặn sự khuếch tán của ion oxy. FENG và cộng sự [59] đã chỉ ra rằng việc làm tan lại bằng tia laser trên bề mặt lớp phủ YSZ bằng phương pháp APS có thể cải thiện khả năng kháng oxy hóa của lớp phủ, chủ yếu là vì việc làm tan lại bằng tia laser có thể tăng độ đặc của lớp phủ, từ đó làm chậm quá trình phát triển của TGO.

Kháng sốc nhiệt

Khi các thành phần đầu nóng của tua-bin khí công suất lớn hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao, chúng thường gặp phải sốc nhiệt do thay đổi nhiệt độ nhanh chóng. Do đó, các bộ phận hợp kim có thể được bảo vệ bằng cách cải thiện khả năng kháng sốc nhiệt của lớp phủ rào cản nhiệt. Khả năng kháng sốc nhiệt của lớp phủ rào cản nhiệt thường được kiểm tra bằng thử nghiệm chu kỳ nhiệt (sốc nhiệt), trước tiên giữ ở nhiệt độ cao trong một khoảng thời gian, sau đó loại bỏ để làm mát bằng không khí/nước, đó là một chu kỳ nhiệt. Khả năng kháng sốc nhiệt của lớp phủ rào cản nhiệt được đánh giá bằng cách so sánh số lượng chu kỳ nhiệt mà lớp phủ trải qua khi nó bị hỏng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng khả năng kháng sốc nhiệt của lớp phủ rào cản nhiệt cấu trúc gradient tốt hơn, chủ yếu là vì độ dày của lớp phủ rào cản nhiệt cấu trúc gradient nhỏ, có thể trì hoãn ứng suất nhiệt trong lớp phủ [60]. ZHANG và cộng sự [61] đã thực hiện các thử nghiệm chu kỳ nhiệt ở 1 000 ℃ trên ba dạng của lớp phủ rào cản nhiệt dạng chấm, vệt và lưới thu được bằng cách làm tan lại bằng tia laser của lớp phủ rào cản nhiệt NiCrAlY / 7YSZ, và đã nghiên cứu khả năng chịu sốc nhiệt của các mẫu phun và ba mẫu có hình dạng khác nhau sau khi xử lý bằng tia laser. Kết quả cho thấy mẫu dạng chấm có khả năng chịu sốc nhiệt tốt nhất và tuổi thọ chu kỳ nhiệt gấp đôi so với mẫu phun. Tuy nhiên, khả năng chịu sốc nhiệt của các mẫu dạng vạch và lưới kém hơn so với mẫu phun, như được hiển thị trong Hình 6. Ngoài ra, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng một số vật liệu phủ mới có khả năng chịu sốc nhiệt tốt, chẳng hạn như SrAl12O19 [62] do ZHOU và cộng sự đề xuất, LaMgAl11O19 [63] do LIU và cộng sự đề xuất, và Sm2 (Zr0.7Ce0.3) 2O7 [64] do HUO và cộng sự đề xuất. Do đó, để cải thiện khả năng chịu sốc nhiệt của lớp phủ rào cản nhiệt, ngoài việc thiết kế và tối ưu hóa cấu trúc lớp phủ, có thể tìm kiếm và phát triển các vật liệu mới có khả năng chịu sốc nhiệt tốt.