Pentru prima dată, acoperirile cu barieră termică (TBC) au fost testate cu succes în secțiunea turbină a motorului de testare la mijlocul anilor 1970. La începutul anilor 1980, au început să lucreze la lamele de duze ale motoarelor cu turbină cu gaze ale aeronavelor și astăzi lucrează la duză și lame de lucru. În cazul motoarelor avansate, în viitorul apropiat se așteaptă o creștere a încărcăturii acestor acoperiri.
Emailele sinterizate au fost primele acoperiri ceramice pentru industria aerospațială. Prima dintre aceste acoperiri a fost elaborată de NASA și de Biroul Național de Standarde (BNS). Emailul sinterizat a fost folosit în motoarele de aeronave în anii 1960. Mai târziu, s-au dezvoltat acoperiri aplicate prin pulverizare cu flacără. Din diferite materiale ceramice care au fost utili ca o barieră termică necesară pentru a selecta alumină, oxid de zirconiu stabilizat cu oxid de magneziu și oxid de calciu. Acesta din urmă a fost cel mai potrivit și utilizat pe scară largă. Materialul de acoperire de legătură pentru aceste acoperiri, dacă este utilizat în general, a fost de obicei nicrom sau molibden. Cu toate acestea, oxid de aluminiu și oxid de zirconiu stabilizat cu oxid de calciu lipsit de durabilitate adecvată și nu a dovedit materiale viabile pentru asamblare combustibil îmbunătățit. epoca curentă TBC a început la mijlocul anilor 1970, odată cu dezvoltarea în NASA bistrat TBC, constând dintr-un poros depus prin APS (pulverizare de plasmă cu aer, plasmă pulverizare în aer) a învelișului ceramic de zirconiu stabilizat cu ytriu (ZrO2-Y203), pe partea de sus a aplicat aceeași metodă metalic rezistent la căldură strat liant NiCrAIY și testarea cu succes a acestui strat pe palete ale turbinelor cu gaz într-un pilot motor cu turbină cu gaz. Union Carbide a fost unul dintre primele dezvoltator FA ZrO2-Y203 / MSrAIY (ca M - Ni și / sau Co). Primele acoperiri TBC pe bază de dioxid de zirconiu conținute la 12 la 20% oxid de ytriu, care a fost adăugat pentru a stabiliza pe deplin faza cubică. Ulterior, sa dovedit că cea mai bună performanță poate fi realizată prin scăderea nivelului de oxid de ytriu la 6 și 8%. Studiile privind TBC, în general, acum susțin ideea că ZrO2 / (6-8%) Y203 depășește ZrO2 / (12-20%) Y203 pentru turbinele cu gaz avansate, iar acestea, la rândul său superior sisteme TBC pe bază de oxid de zirconiu, propusă anterior.
Sistemele de acoperire cu barieră termică sunt utilizate pe scară largă în motoarele moderne cu turbină cu gaz pentru a reduce temperatura suprafețelor metalice în secțiunile turbinelor și camera de combustie. În motoarele de aviație și în centralele termoelectrice, practica aplicării acoperirilor cu barieră termică este folosită pe scară largă pentru a răspunde cerințelor crescânde de creștere a eficienței combustibilului, reducerea emisiilor de NOx și creșterea puterii și a tracțiunii. Componentele turbinelor expuse la cele mai ridicate temperaturi sunt camera de combustie, lamele rotorului și duza turbinei de înaltă presiune.
Sistemul TVS este format din patru componente - fiecare are proprietăți fizice, termice și mecanice diferite, creând o structură substanțial complexă. Produsul cu ansamblu de combustibil trebuie să reziste temperaturii ridicate, variației sale ciclice și, ca o consecință, unei stări de stres. Durata minimă de funcționare este de cel puțin o mie de decolări și decolări pentru motoarele cu reacție și până la 30.000 de ore în motoare industriale cu turbină cu gaz. Combinația de materiale diferite și condițiile de funcționare necesare fac TBC mai complex decât orice alt sistem de acoperire. Patru straturi din sistemul modern de tuberculoză sunt realizate din materiale diferite cu proprietăți și funcții specifice:
- aliaj de bază (direct materialul produsului),
- o cravată,
- oxidul termic (TGO),
- acoperire de suprafață ceramică.
Reprezentarea schematică a învelișului termobarrier
Base aliaj - superaliaje pe bază de nichel sau cobalt pe - material care este din interior sau prin canale tubulare interioare, stabilind astfel un gradient de temperatură în lungul peretelui articol răcit cu aer. Produsul din superaliaje în formă cristalină sau policristalin unică conține de la 5 la 12 elemente suplimentare care sunt adăugate pentru a îmbunătăți proprietățile specifice, cum ar fi rezistența la căldură, ductilitate, rezistență la oxidare, rezistenta la coroziune la cald și pentru a îmbunătăți turnabilitate.
Stratul de cravată este un strat metalic rezistent la oxidare, cu o grosime de 75-150 μm, ceea ce determină, în esență, adeziunea TBC. Acoperirea de legături este realizată, de obicei, din NiCrAlY sau NiCoCrAlY și este depusă prin tehnici de pulverizare cu plasmă sau de depunere prin vapori de electroni (EB-PVD). O altă variantă de realizare a legăturii de acoperire este realizat din aluminurilor Ni și Pt și se aplică galvanică la Aluminizarea difuziune sau depunere chimică de vapori. Rareori, lianții de legare a legăturii pot consta din mai multe straturi având compoziție chimică / fază diferită.
În condiții de vârf de temperatură de funcționare ale acoperirii de obligațiuni în motoarele cu turbine cu gaz depășește de obicei 700 ° C, având ca rezultat oxidarea acoperirii de legătură și formarea inevitabilă a treilea strat - oxid crescute termic (TGO; grosime 1-15 um) între stratul de legătură și acoperirea superioară ceramică. Prin porozitate care există întotdeauna în învelișul ceramic de suprafață, permite penetrarea usoara a oxigenului din mediul de producție datorită acoperirii liant. Mai mult, chiar dacă suprafața de acoperire este complet densă, capacitate extrem de mare de difuzie a oxigenului în suprafața de acoperire ceramică pe baza ZrO2-l „kislorodoprozrachnym“ face. Deși formarea TGO este inevitabilă, acoperirea ideală datorită este proiectat pentru a se asigura că TGO este format ca? -Al2O3 și că creșterea este lentă, uniform și fără defecte. O astfel de TGO are capacitate foarte scăzută de difuzie de ioni de oxigen si creeaza o excelenta bariera de difuzie încetinind oxidarea ulterioară a stratului de legătură.
Conexiune acoperire de suprafață (McrAIY), comparativ cu acoperiri de difuzie (Ni si Pt Aluminuri) permite o mai mare independență față de aliajul de bază și flexibilitatea în proprietățile de proiectare ale liantului de acoperire. Compoziția de acoperire poate fi optimizată în funcție de mecanismele de uzură preconizate în timpul funcționării. Acoperirile de lipire MCrAlY conțin de obicei patru sau mai multe elemente. Cromul conferă acestor straturi o rezistență excelentă la coroziune în combinație cu o rezistență bună la oxidare. Pentru aplicarea acoperirilor de legare, se utilizează în mod obișnuit fie pulverizarea cu plasmă, fie metodele supersonice, de exemplu HVOF (combustibil cu oxigen de mare viteză). După acoperire, tratamentul termic în vid activează legătura de difuzie pentru o adeziune optimă.
Există modalități diferite de aplicare a acoperirilor ceramice pe substraturi metalice, cele două metode principale fiind APS și EB-PVD. Aceste două metode produc microstructuri cu anumite caracteristici caracteristice.
TBC indusă de plasmă are următoarele caracteristici microstructurale: morfologie "scalabilă" (grosime 1-5 μm, diametru 200-400 μm), cu limite între fulgi și fisuri verticale. O acoperire tipică APS de suprafață are o grosime de 300 μm, dar în unele motoare industriale cu turbină cu gaz poate atinge 600 μm. Orientarea crăpăturilor și a porilor în mod normal la fluxul de căldură reduce conductivitatea termică a stratului de acoperire de la 2,3 W / mK pentru materialele cu densitate totală până la 0,8-1,7 W / mK.
De obicei, acoperirea ceramic superficial depus EB-PVD (grosimea medie de 125 um) au următoarele caracteristici microstructurii: regiune subțire YSZ policristalin cu granule echiaxiali (0,5 la 1 m) în apropierea suprafeței / secțiunii de ceramică metalică; granulele semicirculare YSZ (cu diametrul de 2-10 microni) crescute din regiunea cerealelor echiaxate pe suprafața acoperirii; porozitatea în interiorul granulelor coloană; și canale verticale, între granulele coloană.
Versatilitatea și costul redus al producției fac ca APS TBC să fie atractiv din punct de vedere comercial. Cu toate acestea, din cauza creșterii rapide a defectelor microstructurale paralele la interfața și asperitatea interfeței, APS TBC au, în general de viață mai scurte decât termotsiklichnye EB-PVD TBC. Acest lucru face ca APS TBK relevante numai pentru aplicații mai puțin pretențioase din motoare, cum ar fi camerele de ardere, duze, vaporizatoare combustibil, flacăra postcombustie și paletele statorului. APS TBC este extrem de potrivit pentru motoare industriale cu turbină cu gaz, inclusiv pentru aplicații cu duze și lame, datorită temperaturilor de funcționare mai scăzute, gradientelor de temperatură și ciclurilor de căldură mai reduse.
Perspectivele pentru dezvoltarea ulterioară a ansamblurilor de combustibil pot fi caracterizate de principalele direcții - căutarea și dezvoltarea de noi materiale, îmbunătățirea arhitecturii de acoperire și îmbunătățirea metodelor de aplicare.
Una dintre direcțiile de dezvoltare a materialelor este aliajul de ZrO2 cu diferite cationi de pământuri rare. Aceste aditivi conduc la formarea de grupuri de dopanți, care reduc conductivitatea termică cu aproximativ 20-40%. Pentru ZrO2 stabilizat cu Y2O3-Gd2O3-Yb2O3, conductivitatea termică scade ca 2,3-2,6 W / m / K pentru standardul YSZ la 1,6-1,9 W / m / K. Este posibil să se obțină sisteme cu o temperatură maximă de funcționare de până la 1650C.
materiale tradiționale (YSZ) va continua să joace un rol major în îndeplinirea cerințelor tehnice ale industriei aerospațiale pentru a crește durata de viață și de eficiență ca și introducerea unor materiale noi, alternative la temperaturi înalte structurale - ceramica, compozite ceramice, compuși intermetalici și aliaje metalice rezistente la căldură este încă în faza de cercetare.
Există o motivație serioasă de a dezvolta acoperiri de suprafață ceramice cu conductivitate termică redusă la temperaturi ridicate. Redusă conductivitate termică TBC ajută la prelungirea duratei de viață prin reducerea temperaturii metalului de bază și încetinirea proceselor activate termic responsabile de degradarea acoperirii și / sau îmbunătățirea eficienței, care să permită să funcționeze la temperaturi mai ridicate. Deși căutarea de TBC noi ceramica relevante succes în continuare, în cele din urmă, se va baza pe o evaluare mai completă a tuturor caracteristicilor favorabile care au făcut YSZ atât de mult succes TBC până în prezent și includerea acestor caracteristici ale ceramicii cu o conductivitate termică scăzută și o temperatură admisibilă mai mare operațiune.
Trimiteți-le prietenilor: