การเคลือบกั้นความร้อน: การปกป้องแกนกลางของใบพัดกังหันก๊าซสำหรับงานหนัก

กังหันก๊าซหนักเนื่องจากประสิทธิภาพการแปลงงานความร้อนค่อนข้างสูง เป็นอุปกรณ์หลักส่วนใหญ่ในด้านการผลิตพลังงานและการขับเคลื่อนเรือ เนื่องจากเทคโนโลยีการพัฒนาของกังหันก๊าซหนักระดับสูงมีความซับซ้อนมาก กังหันก๊าซหนักจึงถูกเรียกว่า หัวใจสำคัญของสาขาอุตสาหกรรมและการต่อเรือของจีน จนถึงขณะนี้ จีนประสบความสำเร็จในการพัฒนากังหันก๊าซหนักคลาส F ขนาด 50 เมกะวัตต์ และประสบความสำเร็จในการพัฒนากังหันก๊าซหนักคลาส F ขนาด 50 เมกะวัตต์ตั้งแต่เริ่มต้น ในปัจจุบัน จีนกำลังปรับปรุงการก่อสร้างระบบกังหันก๊าซสำหรับงานหนักทั้งสามระบบหลักให้สมบูรณ์แบบ โดยตระหนักถึงองค์ประกอบสามประการของการออกแบบต้นแบบ การผลิตอุปกรณ์ และการส่งมอบการทดสอบ จีนยังกลายเป็นประเทศที่ห้าในโลกที่เชี่ยวชาญเทคโนโลยีการออกแบบและการผลิตกังหันก๊าซงานหนักอย่างเต็มรูปแบบ

การเคลือบกั้นความร้อน

การเคลือบกั้นความร้อนมักจะประกอบด้วยชั้นล่างที่ประสานด้วยโลหะและชั้นพื้นผิวเซรามิก และชั้นล่างของการประสานมักจะทำจากโลหะผสม MCrAlY (M คือ Ni, Co หรือ Ni+Co) ซึ่งส่วนใหญ่มีหน้าที่รับผิดชอบต่อผลกระทบหลายประการ ความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันและความต้านทานการกัดกร่อนในขณะที่ชั้นผิวเซรามิกมักทำจาก ZrO2 ที่เสถียร Y2O3 ซึ่งส่วนใหญ่มีบทบาทเป็นฉนวนความร้อน เนื่องจากมีความต้านทานต่อออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง ทนต่อการกัดกร่อน และมีคุณสมบัติเป็นฉนวนความร้อนได้ดี จึงได้กลายเป็นหนึ่งในสารเคลือบป้องกันอุณหภูมิสูงที่ทันสมัยที่สุดสำหรับกังหันก๊าซหนักภาคพื้นดินทั้งในและต่างประเทศ

ด้วยการพัฒนาของอุตสาหกรรมการบิน อัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักของเครื่องยนต์กังหันเริ่มสูงขึ้นเรื่อยๆ และอุณหภูมิของทางเข้ากังหันก็สูงขึ้นเรื่อยๆ ตามประวัติการวิจัยของวัสดุในประเทศและต่างประเทศ การปรับปรุงความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงของใบพัดกังหันค่อนข้างยากโดยการเพิ่มอุณหภูมิการใช้งานของวัสดุในช่วงเวลาสั้น ๆ วิธีที่เป็นไปได้คือการเคลือบแผงกั้นความร้อนไว้บนพื้นผิวของใบพัดกังหันเพื่อเพิ่มอุณหภูมิการใช้งาน การพัฒนาเทคโนโลยีการเคลือบป้องกันความร้อนในอนาคตจะมุ่งเน้นไปที่ประเด็นต่อไปนี้:

(1) การวิจัยเกี่ยวกับระบบวัสดุเคลือบแผงกั้นความร้อนแบบใหม่ที่เหมาะสำหรับเครื่องยนต์ความเร็วเหนือเสียงรุ่นต่อไป และค้นหาวัสดุเซรามิกที่มีความเสถียรของเฟสที่ดีกว่า อัตราการเผาผนึกที่ต่ำกว่า และค่าการนำความร้อนที่สามารถแทนที่ ZrO2 ได้เป็นกุญแจสำคัญ

(2) การศึกษาการหาค่าเหมาะที่สุดและกลไกของวัสดุและกระบวนการเตรียมของระบบการเคลือบที่มีอยู่ รวมถึงองค์ประกอบของชั้นพันธะ Y การเลือกออกไซด์ที่เสถียรใหม่ของเซรามิก YSZ การปรับปรุงและการปรับโครงสร้างจุลภาคของการเคลือบให้เหมาะสม ตลอดจนการศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับเทคโนโลยีการเคลือบแบบไล่ระดับ เพื่อปรับปรุงอุณหภูมิในการทำงาน อายุการใช้งาน และประสิทธิภาพฉนวนกันความร้อนของการเคลือบ

(3) การวิจัยเกี่ยวกับผลกระทบของฉนวนความร้อนของการเคลือบกั้นความร้อน สภาพฉนวนความร้อนของการเคลือบ นั่นคือ การไล่ระดับอุณหภูมิ ได้รับการทดสอบโดยการจำลองการทดลอง และรวมกับทฤษฎีการถ่ายเทความร้อนตามการนำความร้อน ของวัสดุเคลือบ ผลกระทบของฉนวนความร้อนที่คาดหวัง และสภาพแวดล้อมการทำงานของส่วนประกอบปลายร้อน เพื่อเป็นพื้นฐานสำหรับการออกแบบความหนาของสารเคลือบที่เหมาะสม และให้คำแนะนำในการปรับปรุงการเคลือบ

(4) เพื่อศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับแบบจำลองการทำนายอายุของการเคลือบแผงกั้นความร้อน หากใช้การเคลือบแผงกั้นความร้อนกับชิ้นส่วนที่มีความเสี่ยงสูงของเครื่องยนต์กังหัน จะต้องสร้างระบบทำนายอายุของเครื่องยนต์เพื่อความปลอดภัย ดังนั้น การศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับกลไกความล้มเหลวของการหลุดร่อนของการเคลือบกั้นความร้อนและพฤติกรรมทางกลภายใต้เงื่อนไขการบริการ ฯลฯ จะสร้างแบบจำลองการคาดการณ์อายุการใช้งานที่ค่อนข้างสมบูรณ์แบบ เพื่อประเมินอายุการใช้งานของการเคลือบได้อย่างแม่นยำ และให้การรับประกันที่เชื่อถือได้สำหรับ การประยุกต์ใช้การเคลือบกั้นความร้อนในทางปฏิบัติ

(5) พัฒนาเทคโนโลยีการทดสอบประสิทธิภาพการเคลือบใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเทคโนโลยีการทดสอบแบบไม่ทำลาย เพื่อแสดงลักษณะแรงยึดเกาะระหว่างสารเคลือบและพื้นผิว ระดับการแตกร้าวของสารเคลือบ ระดับการเปลี่ยนแปลงเฟส และคุณสมบัติอื่น ๆ ได้อย่างแม่นยำ เพื่อที่จะ ควบคุมคุณภาพการเคลือบได้ดีขึ้น

กังหันก๊าซสำหรับงานหนักครองตำแหน่งหลักในด้านการผลิตพลังงานและการขับเคลื่อนทางทะเล เนื่องจากความร้อนที่มีประสิทธิภาพและความสามารถในการเปลี่ยนงาน ในฐานะหนึ่งในเทคโนโลยีหลัก การเคลือบป้องกันความร้อน (TBC) มีบทบาทสำคัญในการปรับปรุงอุณหภูมิการใช้งานและยืดอายุการใช้งานของใบพัดกังหัน ประเทศจีนมีความก้าวหน้าอย่างน่าทึ่งในด้านนี้ โดยประสบความสำเร็จในการออกแบบและผลิตกังหันก๊าซสำหรับงานหนัก การเคลือบกั้นความร้อนมักจะประกอบด้วยชั้นล่างที่ยึดด้วยโลหะและชั้นพื้นผิวเซรามิก ซึ่งชั้นล่างส่วนใหญ่จะถือว่าบทบาทของความไม่ตรงกันทางความร้อนในช่วงเปลี่ยนผ่าน ความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชัน และความต้านทานการกัดกร่อน ในขณะที่ชั้นพื้นผิวส่วนใหญ่มีผลต่อฉนวนกันความร้อน . การวิจัยในอนาคตจะมุ่งเน้นไปที่การพัฒนาระบบวัสดุใหม่ การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการเคลือบที่มีอยู่ การปรับปรุงฉนวนกันความร้อน การสร้างแบบจำลองการคาดการณ์อายุการใช้งาน และการพัฒนาเทคนิคการทดสอบประสิทธิภาพการเคลือบใหม่ เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของการเคลือบให้ดียิ่งขึ้น