Термично бариерно покритие: Защита на сърцевината на тежкотоварни лопатки на газови турбини
Тежката газова турбина поради относително високата ефективност на преобразуване на топлинната работа е най-основното оборудване в областта на генерирането на енергия и задвижването на кораби, тъй като технологията за разработване на тежка газова турбина от високо ниво е изключително сложна, така че тежката газова турбина е известна още като мощното сърце на промишленото и корабостроителното поле на Китай. Досега Китай успешно е разработил тежка газова турбина от клас 50 MW и е постигнал пробив в тежката газова турбина от клас F от 50 MW от нулата. Понастоящем Китай усъвършенства конструкцията на трите основни системи от тежкотоварни газови турбини, реализирайки триединството от проектиране на прототип, производство на оборудване и доставка на тестове. Китай също така стана петата страна в света, която напълно овладя дизайна и технологията на производство на тежкотоварни газови турбини.
термично бариерно покритие
Покритието с термична бариера обикновено се състои от метален свързващ долен слой и керамичен повърхностен слой, а свързващият долен слой обикновено е направен от MCrAlY (M е Ni, Co или Ni+Co) сплав, която е отговорна главно за множеството ефекти на преходно термично несъответствие, устойчивост на окисление и устойчивост на корозия, докато керамичният повърхностен слой обикновено е направен от Y2O3 стабилен ZrO2, който играе главно топлоизолационна роля. Поради добрата си устойчивост на високотемпературно окисление, устойчивост на ерозия и топлоизолационни характеристики, то се превърна в едно от най-модерните високотемпературни защитни покрития за тежки газови турбини в страната и чужбина.
С развитието на авиационната индустрия съотношението тяга-тегло на турбинния двигател става все по-високо и по-високо, а температурата на входа на турбината става все по-висока и по-висока. Според историята на изследванията на материалите у нас и в чужбина е доста трудно да се подобри устойчивостта на висока температура на турбинните лопатки чрез повишаване на температурата на използване на материалите за кратък период от време. Осъществимият метод е да се отложи термично бариерно покритие върху субстрата на лопатката на турбината, за да се повиши работната температура. Бъдещото развитие на технологията за термично бариерно покритие ще се фокусира върху следните аспекти:
(1) Ключът е изследването на нова система за термично бариерно покритие, подходящо за следващото поколение свръхзвуков двигател, и намирането на керамични материали с по-добра фазова стабилност, по-ниска скорост на синтероване и топлопроводимост, които могат да заменят ZrO2.
(2) Оптимизирането и изследването на механизма на материала и процеса на подготовка на съществуващата покривна система, включително състава на Y свързващия слой, избора на новия стабилен оксид на YSZ керамика, подобряването и оптимизирането на микроструктурата на покритието, като както и по-нататъшното проучване на технологията за градиентно покритие, така че да се подобри работната температура, експлоатационният живот и топлоизолационните характеристики на покритието.
(3) Изследване на топлоизолационния ефект на топлоизолационното покритие, състоянието на топлоизолация на покритието, тоест температурният градиент, се тества чрез експериментална симулация и се комбинира с теорията за пренос на топлина, според топлопроводимостта на покриващия материал, очаквания топлоизолационен ефект и работната среда на горещите крайни компоненти, за да се осигури основа за разумно проектиране на дебелината на покритието и да се предоставят насоки за подобряване на покритието.
(4) За по-нататъшно проучване на модела за прогнозиране на живота на термичното бариерно покритие, ако топлинното бариерно покритие се нанесе върху високорисковите части на турбинния двигател, трябва да се създаде система за прогнозиране на живота на двигателя, за да се гарантира безопасността. Следователно, по-нататъшното проучване на механизма за разрушаване на термично бариерното покритие и механичното поведение при експлоатационни условия и т.н. създава относително перфектен модел за прогнозиране на живота, така че да се оцени точно експлоатационният живот на покритието и да се осигури надеждна гаранция за практическо приложение на термично бариерно покритие.
(5) Разработване на нова технология за изпитване на ефективността на покритието, особено технология за безразрушителен тест, за точно характеризиране на силата на свързване между покритието и субстрата, степента на напукване на покритието, степента на промяна на фазата и други свойства, така че по-добър контрол върху качеството на покритието.
Тежкотоварните газови турбини заемат основна позиция в областта на генерирането на енергия и морското задвижване поради тяхната ефективна способност за преобразуване на топлина и работа. Като една от ключовите технологии, Thermal Barrier Coating (TBC) играе важна роля за подобряване на работната температура и удължаване на живота на турбинните перки. Китай постигна забележителен напредък в тази област, успешно овладявайки проектирането и производството на тежкотоварни газови турбини. Покритието с термична бариера обикновено се състои от метално свързан долен слой и керамичен повърхностен слой, от които долният слой поема главно ролята на преходно термично несъответствие, устойчивост на окисляване и устойчивост на корозия, докато повърхностният слой играе главно топлоизолационен ефект . Бъдещите изследвания ще се съсредоточат върху разработването на нови системи от материали, оптимизиране на съществуващи процеси на нанасяне на покрития, подобряване на топлоизолацията, създаване на модели за прогнозиране на продължителността на живота и разработване на нови техники за тестване на производителността на покритието за допълнително подобряване на производителността и надеждността на покритието.
