Напредак истраживања и развојни тренд тешке гасне турбине и њихових топлотних бариерних премаза ((2)

Термално затварање

Истраживачки фон топлотних бариера

Од успешног развоја прве гасне турбине 1920. године, гасна турбина је увек играла кључну улогу у области производње енергије и покретања. Поред тога, са развојем индустријске технологије, технички ниво тешке гасне турбине стално се побољшава, а како побољшати ефикасност тешке гасне турбине постаје све попритјежнији. Турбинска лопатка је једна од важних компоненти система сагоревања тешке гасне турбине. Повећање температуре улаза у турбину може ефикасно побољшати ефикасност тешке гасне турбине. Зато, релевантни истраживачи могу радити на повећању температуре улаза у турбину. Да би се задовољила све већа потражња за оперативном температуром будућих ефикасних гасних турбина, на површину компоненти са топлим крајњем стањем обично се прскају топлотне бариерне премазе.

Концепт топлотне баријере је 1953. године први пут предложио НАСА-Левис истраживачки институт у Сједињеним Државама [13], односно, керамички премаз се прска на површину делова који раде у околини високе температуре кроз технологију топлотне прскања, како би се обезбедила топлотна изолација Термобаријерно премазивање је широко коришћено у топлим компонентама индустријских гасних турбина и авиомотора (клапања турбина и коморе за сагоревање итд.) због својих одличних карактеристика као што су ниске трошкове припреме и добра заштита од топлотне изолације, и међународно је призна

Структура система топлотне бариере

• Са напретком и развојем науке и технологије, температура улаза гасних турбина постаје све већа и већа. Да би се постигао бољи топлоизолациони ефекат топлотног бариера, већина студија широм света фокусира се на пројектовање структуре топлотног бариера, што је довољно да покаже значај структуре топлотног бариера [14]. Према различитим структурама премаза, може се поделити на двоструке слојеве, вишеслојне и градијентне структуре [15].
• Међу њима, двослојни топлотни бариерни премаз састављен од керамичког слоја и слоја веза, као најједноставнији и зрелији топлотни бариерни премаз у свим конструкцијама премаза, широко се користи у технологији топлотне бариерне премазе. Међу њима, најраспрострањенији двослојни структурни термички бариерни премаз узима 6 тег. % ~ 8 тег. % итријум стабилизованог цирконија (6-8YSZ) као спољни керамички слој материјала, и легуру MCrAlY (M=Ni, Co, Ni+ Међутим, због неисправности између коефицијента топлотне експанзије керамичког слоја и слоја металне вези, лако је створити стрес у премазу и учинити премаз да се рано опусти.
• Да би се побољшала перформанси топлотне бариере, истраживачи су припремили вишеслојни структурни топлотни бариери покрив са релативно сложеним структуром (композитни премаз), односно на основу двослојног структурног топлотног бариери покрива додаје се неколико слојева изолације и бари Међу њима, најпроучаванији блокаторски слојеви углавном укључују Al2O3, NiAl итд. [17]. ФЕНГ и др. [18] користили су АПС за припрему термобаријерног премаза ИСЗ и термобаријерног премаза ЛЗ/ИСЗ (ЛА2Зр2О7 / ЗрО2-И2О3 двоструки керамички слој термобаријерног премаза), и Резултати показују да у поређењу са ИСЗ топлотним бариером, ДВЦ/ИСЗ двоструки керамички топлотни бариери имају бољу отпорност на оксидацију. Иако је перформанса вишеслојног топлотног баријера боље од двослојног топлотног баријера, његова структура и процес припреме су сложенији, а отпорност на топлотне ударе је лоша, тако да је ограничена у практичној примени. Због тога се ствара градијентна структура топлотне бариерне премазе.
• Трпелни бариерни премаз се карактерише континуираном променом градијента композиције и структуре дуж правца дебелине премаза, што резултира нејасним интерфејсним слојем. У поређењу са двослојним и вишеслојним конструкцијама, топлотна бариера градијентне структуре не само да има изузетну отпорност на топлотне ударе, већ такође показује континуирано мењање градијента у перформанси, тако да има карактеристике ублажавања топлотних стреса и може се Главне технологије топлотног прскања функционално класификованих топлотних бариера су прегледале г. Иако постоје различите методе припреме, градијентна структура топлотних бариера је лоша у пракси због сложеног процеса припреме, тешко контролисаних структурних компоненти и високе трошкове.
• У суми, двослојни топлотни бариерни премаз се широко користи и процес је зрео, и још увек је преферирани структурни облик топлотне бариерне премазе. Керамички слој и слој везања [20] се одлагају на матрицу легуре технологијом топлотног прскања. У условима високотемпературног оксидације, на површини слоја везивања након оксидације формира се танки слој оксида који се расте топлотом, као што је приказано на слици 1. Међу њима, матрица легуре, као компонента заштићена топлотним баријерним премазом, може играти улогу у ношењу спољашњих механичких оптерећења, а њен материјал је углавном суперлегура на бази никла са отпорношћу на високу температуру и отпорност на оксидацију. Улога слоја везивања је да повећа снагу везивања између керамичког слоја и матрице легуре, дебљина је генерално 50 ~ 150μм, а материјал се обично бира МЦрАЛИ (М=Ни/Цо/Ни+Цо), који има малу разлику у коефицијенту топлин Тхермални оксид раста (ТГО) углавном је врста α-Al2O3 танког филма формиран између керамичког слоја и слоја везе под високом температуром оксидационог окружења, са дебелином од 1 ~ 10 мкм, што има велики утицај на премаз. Керамички слој има функције топлотоизолације, отпорности на корозију и отпорности на ударе [21], дебљина је обично 100 ~ 400 мкм, а материјал је углавном 6-8YSZ са ниском топлотном проводношћу и релативно високим коефицијентом топлотног ширења [22].

Материјали за топлотну баријеру

Температура улаза лопате турбине је уско повезана са њеном радном ефикасношћу. Само повећањем температуре улаза турбинске лопате може се побољшати радна ефикасност. Међутим, са развојем науке и технологије и индустрије, радна температура топлих делова тешке гасне турбине и даље се повећава, а гранична температура турбинске лопате легуре на бази никла је 1150 °C, која више не може радити на већим температурама. Зато је посебно хитно пронаћи и развити материјале за топлотну баријеру са одличним својствима. Међу њима, јер су услови рада топлотне бариере веома лоши, услови избора материјала за топлотну баријеру су строжи у стварном процесу. Керамички слој материјала обично треба да имају ниску топлотну проводност и високу тачку топљења, а нису лако да прођу фазно претварање у распону од собе до радне температуре, а такође требају висок коефицијент топлотне експанзије, изузетну отпорност на топлотне ударе, от Материјал за лепи слој мора имати отпорност на корозију, отпорност на оксидацију, добру чврстоћу лепила и друга својства [25-26]

Материјал керамичког слоја

Оштри услови коришћења топлотне бариерне премазе ограничавају избор материјала. Трпезни баријери за премазивање који су погодни за практичну примену су тренутно веома ограничени, углавном YSZ материјали и YSZ материјали допирани ретким земљеним оксидима.

(1) цирконија стабилизована јтријум оксидом

Тренутно, међу керамичким материјалима, ЗрО2 се истиче високом тачком топљења, ниском топлотном проводношћу, високим коефицијентом топлотног ширења и добром чврстоћом на кршење. Међутим, чист ЗрО2 има три кристална облика: моноклину (м) фазу, кубичну (с) фазу и тетрагоналну (т) фазу, а чист ЗрО2 је лако претвара фазу, што резултира променама у запремину, што има штетне ефекте на живот премаза. Због тога се ZrO2 често допира стабилизаторима као што су Y2O3, CaO, MgO и Sc2O3 како би се побољшала његова стабилност фазе. Међу њима, 8YSZ има најбоље перформансе, има довољну тврдоћу (~ 14 ГПа), малу густину (~ 6,4 Мг · м-3), ниску топлотну проводност (~ 2,3 Вм - 1 · К - 1 на 1000 ° C), високу тачку топљења (~ 2700 ° C), висок Због тога се као материјал керамичког слоја широко користи у термичким баријерним премазима.

(2) Оксиди ретких земљишта допирани ИСЗ

Када ИСЗ ради у средини изнад 1200 °C дуго времена, обично се јавља фазна транзиција и синтерирање. С једне стране, неравнотежна тетрагонална фаза т 'преображава се у мешавину кубичне фазе ц и тетрагоналне фазе т, а током хлађења, т 'преображава се у моноклину фазу м, а фаза преласка се дешава континуирано са променом запремине, С друге стране, синтерирање смањује порозност премаза, смањује топлотну изолацију и толеранцију на оптерећење премаза, и повећава тврдоћу и еластични модул, што значајно утиче на перформансе и живот премаза. Због тога се YSZ не може применити на следећу генерацију тешка гасна турбина.

Генерално, перформансе ИСЗ-а могу се побољшати мењањем или повећањем типа стабилизатора цирконија, као што је метод допирања ИСЗ-а оксидима ретких земљишта [28-30]. Откривено је да што је већа разлика радијуса између Зр јона и допираних јона, то је већа концентрација дефеката, што може побољшати расејање фонона и смањити топлотну проводност [31]. Чен и сарадници [32] су користили АПС за припрему керамичког слоја за топлотну баријеру (ЛГИЈСЗ) са Ла2О3, ИБ2О3 и Гд2О3 кодопираним ИСЗ, и добили су коефицијент топлотне експанзије и топлотну Резултати показују да у поређењу са ИСЗ премазом, ЛГИЈСЗ премаз има нижу топлотну проводност, дужи топлотни циклус и добру стабилност фазе на 1500 °C. Ли Џиа и сарадници [33] су припремили прах ИСЗ са кодопирањем Гд2О3 и Иб2О3 методом хемијске ко-пеципитације и припремили премаз ИСЗ са кодопирањем Гд2О3 и Иб2О3 методом АПС-а, Резултати показују да је фаза стабилност кодопираног ИСЗ премаза са Гд2О3 и Иб2О3 боља од традиционалног 8ИСЗ премаза. Фаза м фаза је мање након топлотне обраде на високој температури када је допинг количина мала, а стабилна кубична фаза се производи када је допинг количина висока.

У поређењу са традиционалним ИСЗ-ом, нови модификовани керамички материјал ИСЗ има нижу топлотну проводност, што чини да топлотна бариера има бољу топлотну изолацију и пружа важну основу за истраживање топлотне баријере високих перформанси. Међутим, свеобухватне перформансе традиционалног ИСЗ-а су добре, и широко се користе, и не могу се заменити било којим модификованим ИСЗ-ом.

Материјал за везивање слоја

Склај везиња је веома важан у топлотном баријерном премазу. Поред тога, керамички слој се може чврсто повезати са матрицом легуре, а унутрашњи стрес узрокован неисправношћу коефицијента топлотне експанзије у премазу се може смањити. Поред тога, отпорност на топлотну корозију и отпорност на оксидацију целог система премаза може се побољшати формирањем густог оксидног филма на високој температури, чиме се продужава живот топлотне бариерне премазе. Тренутно је материјал који се користи за слој везања обично легура MCrAlY (М је Ни, Цо или Ни+Цо, у зависности од употребе). Међу њима, НиЦоЦрАЛИ се широко користи у тешка гасна турбина због својих добрих свеобухватних својстава као што су отпорност на оксидацију и отпорност на корозију. У МЦрАЛИ систему, Ни и Цо се користе као елементи матрице. Због добре отпорности на оксидацију Ни и добре отпорности на умору Ко, свеобухватна својства Ни+Цо (као што су отпорност на оксидацију и отпорност на корозију) су добра. Док се Cr користи за побољшање отпорности на корозију премаза, Ал може побољшати отпорност на оксидацију премаза, а Y може побољшати отпорност на корозију и отпорност на топлотне ударе премаза.

Перформансе система MCrAlY су одличне, али се могу користити само за рад испод 1 100 °C. Да би се повећала температура рада, релевантни произвођачи и истраживачи су обавили пуно истраживања о модификацији МЦрАЛИ премаза. На пример, допирање других елемената легура као што су W, Ta, Hf и Zr [34] како би се побољшала перформанси слоја вези. YU et al. [35] прскали су топлотну баријеру са слојем модификованих Pt НиЦоЦрАЛИ веза и наноструктурисаним 4 wt. % итријум-стабилизованим цирконијом (4YSZ) на другу генерацију суперлегу на бази никла. Повођење топлотне циклике НиЦОЦрАЛИ-4ЙСЗ топлотне бариерне премазе у ваздуху и ефекат Пт на формирање и отпорност на оксидацију ТГО су истражени на 1 100 °C. Резултати показују да је у поређењу са Никокрали-4ЈСЗ, модификација НиЦОЦрАЛИ-а Пт-ом повољна за формирање α-АЛ2О3 и смањење стопе раста ТГО, чиме се продужава живот топлотне бариерне обојке. Гхадами и др. [36] припремили су НицоЦрАЛИ нанокомпозитни премаз суперсоничним прскањем пламеном са наноЦЕО2. НицоЦрАЛИ нанокомпозитни премази са 0,5, 1 и 2 тегловни % наноЦЕО2 су упоређени са конвенционалним НицоЦрАЛИ премазима. Резултати показују да NICocRALy-1 wt. % nano-CEO2 композитни премаз има бољу отпорност на оксидацију, већу тврдоћу и мању порозност од других конвенционалних НиЦЦЦрАЛИ премаза и НиЦЦрАЛИ нано-композитних премаза

Тренутно, поред система MCrAlY може се применити на слој веза, НиАЛ је такође кључни материјал слоја веза. НиАЛ је углавном састављен од β-НиАЛ-а, који формира континуиран густ оксидни филм на површини премазања на температурама већим од 1 200 °C, и признат је као најпотенцијалнији кандидатски материјал за нову генерацију слојева за везивање метала. У поређењу са МЦрАЛИ и традиционалним β-НиАЛ премазима, ПТ-модификовани β-НиАЛ премази имају бољу отпорност на оксидацију и отпорност на корозију. Међутим, оксидни филм формиран на високим температурама има лошу адхезију, што ће знатно скратити живот премаза. Због тога су истраживачи ради побољшања перформанси НиАЛ-а спровели студије допинг модификације на НиАЛ-у. Јанг Ингфеи и сарадници [37] су припремили НиЦрАЛИ премаз, НиАЛ премаз, ПТ-модификовани НиАЛ премаз и Пт+Хф кодопирани НиАЛ премаз и упоредили отпорност на оксидацију ових четири премаза на 1 100 ° Крајни резултати показују да је најбоља отпорност на оксидацију Пт+Хф кодопирани НиАЛ премаз. Циу Лин [38] је припремио НиАЛ блоцк легу са различитим садржајем Ал и β-НиАЛ блоцк легу са различитим садржајем Хф/Зр раствором вакуумског лука и проучавао ефекте Ал, Хф и Зр на отпорност на оксидацију НиАЛ легуре. Резултати су показали да се отпорност на оксидацију НиАЛ легуре повећавала са повећањем садржаја Ал, а додавање Хф/Зр у β-НиАЛ легуру било је корисно за побољшање отпорности на оксидацију, а оптимални допинг количине су биле 0,1% и 0,3% ЛИ и Ал. [39] припремио је нови модификовани б- (Ни, Пт) Ал премаз ретких земљишта на суперлигу на бази Ни2АЛ богате Мо-а путем електродепозиције и технологије алуминисања ниске активности, и упоредио модификовани б- (Ни, Пт) Ал премаз рет Изотермично оксидационо понашање Пт) Ал премаза на 1 100 °C. Резултати показују да реткоземни елементи могу побољшати отпорност на оксидацију премаза.

Укратко, МЦрАЛИ и НиАЛ премази имају своје предности и недостатке, тако да истраживачи треба да наставе са истраживањима модификације на основу ових два материјала за премаз, тражећи развој нових материјала слоја за везивање метала, тако да може бити већа температура рада топлотне бариерне