Progressus investigationis et tendentia evolutions turbinarum gasorum graviorum et earum tegumentorum thermalium barrierae (2)

Coating barriera thermica

Praefatio studii de coatingibus barrierae thermalibus

Postquam prima turbina gascea anno 1920 feliciter est inventa, turbina gascea semper in campo generationis electricae et impulsionis praecipuum agens fuit. Praeterea, cum technologia industrialis progreditur, gradus technicus turbinum gascearum graviorum continuo melioratur, atque quaestio quomodo efficentia turbinum gascearum graviorum augeri possit magis atque magis urget. Lamina turbinae unum ex principali bus componentibus systematis combustionis turbinis gasceae gravioris est. Augere temperaturam ad introitum turbinis efficaciter potest efficentiam turbinis gasceae gravioris augere. Ideo studiosi pertinentes ad hanc rem conari possunt ut temperaturam ad introitum turbinis augere valeant. Ut crescentem postulationem temperaturae operativae futurarum turbinum gascearum efficacium implere possimus, coatinga barriera thermica saepe in superficie componentium partium calidarum sparguntur.

Anno 1953, conceptus tegimenti thermici barrierae primum propositus est a NASA-Lewis Research Institute in Civitatibus Foederatis [13], id est, tegimentum ceramicum per technicam pulveris thermalis in superficiem partium operantium in ambiente altae temperaturae spargitur, ut protecat et calorem impediatur, temperaturam superficiei laminae minuat, consummationem combustibilis motoris reducat, et vitam usus laminae prolonget. Tegimentum thermicum barrierae iam late adhibetur in componentibus calidis extremis turbinum industrialium gasorum et aeromotorum (laminae turbinis et camarae combustionis, etc.) propter egregias suas proprietates, ut parvus pretii praeparationis et bona protectio contra calorem, atque internationale agnoscitur ut technologia praecipua in fabrica gravium turbinum gasorum.

Structura systematis tegimenti thermici barrierae

• Cum progressu et developmente scientiae et technologiae, temperātūra inlet gasōrum turbinum altior atque altior fit. Ut melior effectus thermīcae īnsulātiōnis coatingis barrierae thermīcae adipiscatur, plērīque studia per orbem terrārum in structūrā coatingis barrierae thermīcae condendā versantur, quod satis ostendit importāntiam structūrae coatingis barrierae thermīcae [14]. Secundum diversam structūram coatingis, haec in duplex strātum, multistrātum et structūram gradātam dīvidī potest [15].
• Inter eas, duplex stratum obstruentis thermici, ex strato ceramico et strato adhaerentis compositum, quod est simplicissimum et perfectissimum obstruentis thermici genus in omnibus structuris obstruentis, iam late usurpatur in technologia obstruentis thermici. Inter has, duplex structura obstruentis thermici, quae latissime usurpatur, 6–8% pond. oxidum zirconii stabilizatum yttrio (6–8YSZ) ut materiam externi strati ceramici accipit, et legem metallicam MCrAlY (M = Ni, Co, Ni+Co, etc.) ut materiam strati metallici adhaerentis [16]. Tamen, propter inaequalitatem inter coefficientem dilatationis thermalis strati ceramici et strati metallici adhaerentis, facile in obstruenti tensiones oriuntur, quae obstruentem prae mature abrumpere possunt.
• Ut praestantia tegimenti thermici obstaculi augeretur, periti tegimentum thermicum obstaculi structurae multistratificatae, quod structuram relativam compositam habet (tegimentum compositum), paraverunt; hoc est, plures strata insulantia et obstaculorum super structuram tegimenti thermici obstaculi bistratificata adduntur, in genere quinque strata. Inter eas stratas obstaculi maxime investigatas sunt praecipue Al2O3, NiAl, aliaeque [17]. FENG et al. [18] technica APS usi sunt ut tegimentum thermicum obstaculi YSZ et tegimentum thermicum obstaculi LZ/YSZ (LZ: La2Zr2O7; YSZ: ZrO2-Y2O3, duplex stratum ceramicum tegimenti thermici obstaculi) pararent, deinde superficiem tegimenti technica remeltingis laseris remollierunt, posteaque experimentum oxidationis ad altam temperaturam ad 1100℃ fecerunt. Ex his rebus constat tegimentum thermicum obstaculi LZ/YSZ duplex ceramicum meliorem habere resistentiam oxidationi quam tegimentum thermicum obstaculi YSZ. Licet praestantia tegimenti thermici obstaculi multistratificati melior sit quam tegimenti thermici obstaculi bistratificati, tamen eius structura et processus praeparationis magis complexi sunt, et resistencia eius ad ictus thermicos infirma est; ideo in applicatione practica limitatur. Hinc ergo tegimentum thermicum obstaculi structurae gradatim variabilis exortum est.
• Coating thermal barrier structurae gradientis caracterizatur per continuam variationem compositionis et structurae secundum directionem crassitudinis coatingis, quae interfaciem interstratum indistinctam efficit. Comparata cum structuris bistratificatis et multistratificatis, coating thermal barrier structurae gradientis non solum praestantem resistentiam ad ictus thermicos habet, sed etiam continuam variationem gradientis in proprietatibus ostendit; ideoque proprietates habet ad alleviandos streßus thermicos et in asperis ambientibus altarum temperaturarum applicari potest. Principales technologiae thermalis spargendae pro coating thermalibus barrieribus functionum gradatarum a domino recensitae sunt. Licet variae methodi praeparationis existant, coating thermal barrier structurae gradientis in praxi deficiens est propter processum suum praeparationis complexum, difficultatem in componentibus structurae regendis, et pretium magnum.
• In summa, duplex stratum calorificum barrierae revestimentum late adhibetur et processus maturus est, atque adhuc praefertur forma structuralis revestimenti calorifici barrierae. Stratum ceramicum et stratum adhaerens [20] per technicam pulveris thermalis in matricem ex alloy deposita sunt. Sub conditione oxidationis ad altam temperaturam, tenuis stratum oxydii crescentis per calorem in superficie strati adhaerentis post oxidationem format, ut in Figura 1 ostenditur. Inter haec, matrix ex alloy, quae est pars a revestimento calorifico barrierae protegenda, munus sustinendi onera mechanica externa implere potest; eius materia principaliter est superalloy ex nickelio, quae resistentia ad altas temperaturas et ad oxidationem habet. Munus strati adhaerentis est vim adhaesionis inter stratum ceramicum et matricem ex alloy augere; crassitudo eius generaliter est 50–150 µm, et materia saepissime eligitur MCrAlY (M = Ni/Co/Ni+Co), quae parvam differentiam in coefficiente dilatationis thermalis cum matrice ex alloy habet. Oxidum crescentis per calorem (TGO) est praecipue tenuis pellicula α-Al₂O₃, quae inter stratum ceramicum et stratum adhaerens in ambiente oxidationis ad altam temperaturam formatur, crassitudine 1–10 µm, quae magnam influentiam in revestimentum habet. Stratum ceramicum functiones habet isolationis thermalis, resistentiae ad corrosionem et resistentiae ad impactum [21]; crassitudo eius solita est 100–400 μm, et materia principaliter est 6–8YSZ, quae conductibilitatem thermalem inferiorem et coefficientem dilatationis thermalis relativum superiorem habet [22].

Materiales tegumenti thermici barrierae

Temperatura aditus laminae turbinis arcte coniuncta est cum eius efficacia operativa. Efficacia operativa tantum augeri potest, si temperatura aditus laminae turbinis augetur. Tamen, propter progressum scientiae, technologiae et industriae, temperaturae operativae partium calidarum turbinum gassarum graviorum adhuc augentur; atque temperaturae limitis laminae turbinis ex alligatio nickelica est 1150℃, quae iam in temperaturis altioribus operari non potest. Ideo, urgens est materias revestimenti barrierae thermicae praestantissimas invenire et evolvere. Inter has, quia conditio servitii revestimenti barrierae thermicae valde mala est, conditio electionis materiarum revestimenti barrierae thermicae in processu actuali severior est. Materias strati ceramici plerumque requiritur habere conductibilitatem thermicam parvam et punctum fusionis altum, nec facile transformationem phasium subire inter temperaturam ambientem et temperaturam servitii, simulque coefficientem dilatationis thermicae altum, resistentiam excellentem ad ictus thermicos, resistentiam ad sinterationem et resistentiam ad corrosionem [24]. Materiam strati adhaerentis requiritur habere resistentiam ad corrosionem, resistentiam ad oxidationem, vim adhaesionis bonam aliasque proprietates [25–26].

Materies strati ceramici

Durissimae condicionis usus obstant quae in stratis barrierae thermalis adhibentur, ita ut electio materiarum eius angustissima sit. Nunc materiae stratorum barrierae thermalis idoneae ad usum practicum valde paucae sunt, praecipue materiae YSZ et materiae YSZ dopatae cum oxidibus terrarum raris.

(1) zirconia stabilis per oxidum yttrii

Praesens inter materiales ceramicas ZrO₂ praecellit propter altum punctum fusionis, infimam conductibilitatem thermicam, altum coefficientem dilatationis thermalis et bonam tenacitatem fracturae. Tamen ZrO₂ purum tres formas crystallinas habet: phase monoclina (m), phase cubicam (c) et phase tetragonalem (t); et ZrO₂ purum facile transformationem phasium subit, quae mutationem voluminis inducit, quae effectus infaustos in vitam strati habet. Ideo ZrO₂ saepe cum stabilizatoribus ut Y₂O₃, CaO, MgO et Sc₂O₃ dopatur, ut stabilitas phasium eius meliorata sit. Inter haec, 8YSZ optima praestatio habet; ea sufficientem duritiem (~14 GPa), infimam densitatem (~6,4 Mg·m⁻³), infimam conductibilitatem thermicam (~2,3 W·m⁻¹·K⁻¹ ad 1000 ℃), altum punctum fusionis (~2700 ℃), altum coefficientem dilatationis thermalis (1,1×10⁻⁵ K⁻¹) et alias egregias proprietates habet. Ideo, ut materiale strati ceramici, late in stratis barrierae thermalis utitur.

(2) Oxyda terrarum raris dopata YSZ

Cum YSZ in ambiente supra 1 200 °C diu operatur, saepe transitus phasium et sinteratio eveniunt. Ex una parte, fase tetragonalia non aequilibrata t′ in mixturam ex fase cubica c et fase tetragonali t transformatur; atque dum refrigeratur, t′ in phase monoclinicam m convertitur, atque transitus phasium continuo cum mutatione voluminis fit, ita ut tectio cito abscindatur [27]. Ex altera parte, sinteratio porositas in tectura minuit, proprietates isolatorias thermicas et tolerantiam ad deformationem tecturae diminuit, atque duritiem et modulum elasticitatis augent, quae omnia valde influunt in functionem et vitam tecturae. Ideo YSZ ad generatio sequens turbineorum gasorum graviorum applicari non potest.

In genere, praestantia YSZ meliorari potest per mutationem aut augmentationem generis stabilisatoris zirconiae, uti per methodum dopandi YSZ cum oxydis terrarum raris [28–30]. Repertum est quod quanto maior est differentia inter radios ionum Zr et ionum dopatarum, tanto maior est concentratio defectuum, quae phononum dispersionem augere et conductibilitatem thermicam minuere potest [31]. CHEN et al. [32] usi sunt APS ad praeparandum stratum ceramicum pro tegmine barrierae thermicae (LGYYSZ) in quo YSZ simul dopatur La₂O₃, Yb₂O₃ et Gd₂O₃; deinde coefficientem expansionis thermicae et conductibilitatem thermicam huius tegminis barrierae thermicae per mensuramenta et calculos acceperunt, simulque experimentum cyclorum thermalium ad temperaturam 1 400 ℃ fecerunt. Resultata ostendunt quod, comparatum ad tegmen YSZ, tegmen LGYYSZ inferiorem conductibilitatem thermicam, longiorem vitam cyclorum thermalium et bonam stabilitatem phasium ad temperaturam 1 500 ℃ habet. Li Jia et al. [33] pulverem YSZ simul dopatum Gd₂O₃ et Yb₂O₃ per methodum co-precipitationis chimicae paraverunt et tegmen YSZ simul dopatum Gd₂O₃ et Yb₂O₃ per APS elaboraverunt, simulque influentiam diversorum quantitatum oxydorum dopantium in stabilitatem phasium tegminis investigaverunt. Resultata demonstrant quod stabilitas phasium tegminis YSZ simul dopati Gd₂O₃ et Yb₂O₃ melior est quam stabilitas phasium tegminis 8YSZ tradicionalis. Fase m post tractationem thermicam ad altam temperaturam minor est, ubi quantitas dopantis parva est; at vero fase cubica stabilis oritur, ubi quantitas dopantis magna est.

Comparatus cum traditionale YSZ, novum modificatum materiale ceramicum YSZ habet inferiorem conductibilitatem thermicam, quod facit tegumentum barrierae thermalis meliorem praestare in insulando thermico, et praebet fundamentum importante ad investigationem tegumenti barrierae thermalis altissimae performance. Tamen, praestatio comprehensiva traditionis YSZ est bona, et late usurpatur, nec potest substitui ab ullo modificato YSZ.

Materiale strati adhaerentis

Stratum adhaerens valde importunum est in strato barrierae thermalis. Praeterea, stratum ceramicum ad matriam ex alio metallo arcte adhaerere potest, et stressus internus, qui ex inaequalitate coefficientis dilatationis thermalis in strato oritur, minui potest. Praeterea, resistentia corrosionis thermalis et resistentia oxidationis totius systematis stratorum per formationem densi strati oxydii ad altas temperaturas augeri possunt, ita ut vita strati barrierae thermalis prolongetur. Nunc materiale ad stratum adhaerentem utendum saepe est legatura MCrAlY (M est Ni, Co aut Ni+Co, secundum usum). Inter haec, legatura NiCoCrAlY late usurpatur in turbinibus gazosis gravioribus propter bonas proprietates generales, ut resistentiam oxidationis et resistentiam corrosionis. In systemate MCrAlY, Ni et Co ut elementa matria utuntur. Propter bonam resistentiam oxidationis Ni et bonam resistentiam fatigationis Co, proprietates generales mixtionis Ni+Co (ut resistentia oxidationis et resistentia corrosionis) sunt bonae. Cr vero ad meliorandam resistentiam corrosionis strati utitur, Al ad augendam resistentiam oxidationis strati, et Y ad meliorandam resistentiam corrosionis et resistentiam ictus thermalis strati.

Praestatio systematis MCrAlY praeclara est, sed adhiberi potest tantummodo ad temperaturas infra 1 100℃. Ut temperatura usus augeretur, fabricantes atque investigatores pertinentes multa studia de modificatione stratae MCrAlY instituerunt. Exempli gratia, alia elementa alligantia ut W, Ta, Hf et Zr [34] adduntur ut praestatio stratae adhaerentis melior fiat. YU et al. [35] stratum barrierae thermicae per pulverizationem applicaverunt, quod ex strato adhaerenti NiCoCrAlY modificato Pt et ex strato ceramico nanostructurato zirconiae stabilizatae yttrio (4YSZ) 4 pond. % constabat, super superalloiis nichelii secundae generationis. Comportamentum cyclorum thermalium strati barrierae thermicae NiCoCrAlY-4YSZ in aere et effectus Pt in formatione ac resistentia oxidationi TGO ad 1 100℃ investigati sunt. Resultata ostendunt quod, comparatum cum NiCoCrAlY-4YSZ, modificatio NiCoCrAlY per Pt favet formationi α-Al₂O₃ et minuit celeritatem incrementi TGO, ita vitam strati barrierae thermicae producit. GHADAMI et al. [36] stratum compositum nanometricum NiCoCrAlY per pulverizationem flammae supersonicis cum nano-CeO₂ paraverunt. Strata composita nanometrica NiCoCrAlY cum 0,5, 1 et 2 pond. % nano-CeO₂ cum stratis conventionalibus NiCoCrAlY comparata sunt. Resultata demonstrant quod stratum compositum NiCoCrAlY-1 pond. % nano-CeO₂ meliorem habet resistentiam oxidationi, maiorem duritiem et minorem porositatem quam alia strata conventionales NiCoCrAlY et strata composita nanometrica NiCoCrAlY.

Praesens, praeter systema MCrAlY quod ad stratum adhaerentiae applicari potest, NiAl etiam est materia principalis strati adhaerentiae. NiAl constat praecipue ex β-NiAl, quod pelliculam oxydorum continuam et densam in superficie strati format ad temperaturas superiores ad 1 200℃, atque agnoscitur ut materia candidata maxime idonea pro nova generatione metallicorum stratorum adhaerentium. Comparatione cum stratis MCrAlY et traditionibus β-NiAl, strata β-NiAl modificata PT meliorem resistentiam oxidationi et corrosioni praebent. Tamen pellicula oxydorum formata ad altas temperaturas adhaesionem infirmam habet, quae vitam strati magnopere breviabit. Ideo, ut praestantia NiAl melioraretur, periti studia modificationis per dopationem in NiAl instituerunt. Yang Yingfei et al. [37] stratum NiCrAlY, stratum NiAl, stratum NiAl modificatum PT, et stratum NiAl co-dopatum Pt+Hf paraverunt, ac resistentiam oxidationi horum quattuor stratorum ad 1 100℃ comparaverunt. Resultata finalia ostendunt optimam resistentiam oxidationi stratum NiAl co-dopatum Pt+Hf praebere. Qiu Lin [38] legem blocorum NiAl variis contentis Al et legem blocorum β-NiAl variis contentis Hf/Zr per fusionem arcus vacui paravit, ac effectus Al, Hf et Zr in resistentiam oxidationi legis NiAl investigavit. Resultata demonstraverunt resistentiam oxidationi legis NiAl augeri cum contento Al crescente, et additionem Hf/Zr in legem β-NiAl utilem esse ad resistentiam oxidationi augendam; quantitates optimae dopationis erant 0,1 at.% et 0,3 at.%, respective. Li et al. [39] novum stratum β-(Ni, Pt)Al modificatum terris raris super legem superalloyalem Ni₂Al riccam Mo per electrodepositionem et technicam aluminizationis activitatis infimae paraverunt, ac stratum β-(Ni, Pt)Al modificatum terris raris cum strato β-(Ni, Pt)Al traditione comparaverunt. Comportamentum oxidationis isothermae strati β-(Ni, Pt)Al ad 1 100℃ observatum est. Resultata ostendunt elementa terrarum rarium resistentiam oxidationi strati augere posse.

In summa, recubantia MCrAlY et NiAl suis utrimque praerogativis et defectibus gaudent; ideo studiosi in modifica­tionis investigatione super his duobus recubantium materiis perseverare debent, novarum metallorum stratorum materiarum adinventionem quaerentes, ut temperatus usus recubantium barrierae thermicae pro turbinibus gasosis gravibus altior fieri possit.