Termisk barriärbeläggning: Kärnskydd av kraftiga gasturbinblad

Tung gasturbin på grund av relativt hög omvandlingseffektivitet för termisk arbete, är den viktigaste utrustningen inom området för energigenerering och fartygsdrift, eftersom utvecklingstekniken för tung gasturbin på hög nivå är extremt komplex, så tung gasturbin är också känd som krafthjärtat i Kinas industri- och varvsindustri. Hittills har Kina framgångsrikt utvecklat en tung gasturbin av 50 MW-klassen och fått ett genombrott i F-klassens 50 MW tunga gasturbin från grunden. För närvarande fulländar Kina konstruktionen av de tre stora systemen av tunga gasturbiner och inser treenigheten av prototypdesign, utrustningstillverkning och testleverans. Kina har också blivit det femte landet i världen som till fullo behärskar design- och tillverkningstekniken för tunga gasturbiner.

termisk barriärbeläggning

Den termiska barriärbeläggningen består vanligtvis av ett metallbindande bottenskikt och ett keramiskt ytskikt, och det bindande bottenskiktet är vanligtvis tillverkat av MCrAlY (M är Ni, Co eller Ni+Co)-legering, som huvudsakligen är ansvarig för de multipla effekterna av termisk övergångsfel, oxidationsbeständighet och korrosionsbeständighet, medan det keramiska ytskiktet vanligtvis är tillverkat av Y2O3 stabil ZrO2, som huvudsakligen spelar en värmeisolerande roll. På grund av dess goda oxidationsbeständighet vid hög temperatur, erosionsbeständighet och värmeisoleringsegenskaper har den blivit en av de mest avancerade högtemperaturskyddsbeläggningarna för marktunga gasturbiner hemma och utomlands.

Med utvecklingen av flygindustrin blir dragkraftsförhållandet för turbinmotorer högre och högre, och temperaturen på turbininloppet blir högre och högre. Enligt forskningshistorien för material hemma och utomlands är det ganska svårt att förbättra turbinbladens högtemperaturmotstånd genom att öka användningstemperaturen för material på kort tid. Den möjliga metoden är att avsätta termisk barriärbeläggning på turbinbladssubstratet för att öka dess användningstemperatur. Den framtida utvecklingen av termisk barriärbeläggningsteknik kommer att fokusera på följande aspekter:

(1) Forskning om nya termiska barriärbeläggningsmaterialsystem som är lämpliga för nästa generations överljudsmotorer, och hitta keramiska material med bättre fasstabilitet, lägre sintringshastighet och värmeledningsförmåga som kan ersätta ZrO2 är nyckeln.

(2) Optimering och mekanismstudie av materialet och beredningsprocessen för det befintliga beläggningssystemet, inklusive sammansättningen av Y-bindningsskiktet, valet av den nya stabila oxiden av YSZ-keramik, förbättring och optimering av beläggningens mikrostruktur, som samt vidare studier av gradientbeläggningstekniken, för att förbättra beläggningens arbetstemperatur, livslängd och värmeisoleringsprestanda.

(3) Forskning om värmeisoleringseffekten av värmebarriärbeläggningen, beläggningens värmeisoleringsvillkor, det vill säga temperaturgradienten, testas genom experimentell simulering och kombineras med teorin om värmeöverföring, enligt värmeledningsförmågan av beläggningsmaterialet, den förväntade värmeisoleringseffekten och arbetsmiljön för de varma ändkomponenterna, för att tillhandahålla en grund för rimlig utformning av beläggningens tjocklek och ge anvisningar för förbättring av beläggningen.

(4) För att ytterligare studera modellen för förutsägelse av termisk barriärbeläggnings livslängd, om den termiska barriärbeläggningen appliceras på turbinmotorns högriskdelar, måste motorns livslängdsförutsägelsesystem upprättas för att garantera säkerheten. Därför etablerar ytterligare studier av spjälkningsfelmekanismen för termisk barriärbeläggning och mekaniskt beteende under driftförhållanden etc. en relativt perfekt livslängdsmodell för att noggrant utvärdera beläggningens livslängd och ge en tillförlitlig garanti för praktisk tillämpning av termisk barriärbeläggning.

(5) Utveckla ny testteknik för beläggningsprestanda, särskilt oförstörande testteknik, för att noggrant karakterisera bindningskraften mellan beläggningen och substratet, graden av sprickbildning i beläggningen, graden av fasförändring och andra egenskaper, för att bättre kontrollera kvaliteten på beläggningen.

Kraftiga gasturbiner intar en central position inom energigenerering och marin drivning på grund av deras effektiva värme- och arbetsomvandlingsförmåga. Som en av nyckelteknologierna spelar Thermal Barrier Coating (TBC) en viktig roll för att förbättra driftstemperaturen och förlänga livslängden för turbinbladen. Kina har gjort anmärkningsvärda framsteg på detta område och framgångsrikt bemästrat design och tillverkning av tunga gasturbiner. Den termiska barriärbeläggningen är vanligtvis sammansatt av ett metallbundet bottenskikt och ett keramiskt ytskikt, varav bottenskiktet huvudsakligen antar rollen som övergångsvärmefel, oxidationsbeständighet och korrosionsbeständighet, medan ytskiktet huvudsakligen spelar en värmeisoleringseffekt . Framtida forskning kommer att fokusera på utveckling av nya materialsystem, optimering av befintliga beläggningsprocesser, förbättring av värmeisolering, upprättande av livstidsförutsägelsemodeller och utveckling av nya beläggningsprestandatestningstekniker för att ytterligare förbättra beläggningsprestanda och tillförlitlighet.