ציפויי מחסום חמים (TBCs) הם טכנולוגיה קריטית להגנה על רכיבים קטנים בטורבינה גז, מנועי סילון ומכונות אחרות בטמפרטורה גבוהה.על ידי יישום שכבת שטח דקת של חומר קרמיקה על תת-שכבות מתכתיות חיוניות, ציפויים אלה להפחית את הטמפרטורה של מתכת הבסיס, המאפשרים רכיבים לפעול היטב מעל נקודות ההמיסה הפנימית שלהם תוך התנגדות חמצון, קורוזיה, ועייפות תרמית (למשל, טמפרטורות אלקטרו-קומית) כגון פלסמה שונות.

הבנת טכניקות תהילים פלאסמה

ריסוס פלאסמה הוא תהליך תרסיס תרמי שבו מטוס פלזמה עתיר גבוה - המתגונן על ידי ioning גז כגון argon, חנקן, מימן, או helium באמצעות קשת חשמלית - משמש להמיס ולהאיץ חלקיקים אבקה לעבר אבקה מוכנה תת-קרקעית, אפקט molten או חצי-מטרום כרוך טיפות שטוחות, מוצק, וצורה חופפת מרחקים של ציפוי הנוכחי, אך ורק של שפעת תת-קרקעית, הוא חזק, אבל אפקט של שפעת פשוטה, הוא קבוע, אבל.

מגוון של פלאסמה Spraying

המונח "רסיסמה" כולל מספר שיטות נפרדות שהתפתחו כדי לענות על דרישות ציפוי ספציפיות:

  • (FLT:0) אטמוספיר פלאסמה Spraying (APSOVA): 1 הגרסאות הנפוצות ביותר, המבוצעות באוויר הפתוח.המטוס פלזמה מגיע לטמפרטורות מעל 15,000 מעלות צלזיוס, ממיס בקלות קרמיקה בעלת רמה גבוהה כגון yttria-bilized zirconia (YSZ). APS הוא עלות יעילה ומותאמים היטב עבור רכיבים גדולים, אבל הסביבה ה-חמצני יכול להציג שינויים רגישים או חומרים רגישים בשלב זה יכול להציג שינויים חומרים רגישים.
  • (FLT:0)Vacuum Plasma Spraying (VPS) / Low-Pressure Plasma Spraying (LPPS): veFLT:1 , שנערך בתא בלחץ נמוך מבוקר (בדרך כלל 50-200 מ"ר) האווירה מופחתת מצמצם חמצון ומאפשרת שליטה טובה יותר של מהירות הפלסמה ו- VPS משמש עבור חומרים תגובתיים (reporeme) אך סגסוגת, אך היא מקסימלית וגמישות.
  • (FLT:0) spension Plasma Spraying (SPS) ופתרון Pre ⁇ Plasma Spraying (SPPS): spend 1 מתפתח טכניקות שבו ההזנה היא השעיה נוזלית של חלקיקים או פתרון כימי ולא אבקת coarse. שיטות אלה לייצר ציפויים עם מיקרו-מבנה דק יותר (conar או ננו- ⁇ s) כי הם מחקים את הציפוי של חומרים מזינים בציפוי של חומרים מזינים בציפוי- SP-FD2.

כל גרסה מציעה איזון מובהק של צפיפות ציפוי, פורוזיות, מתח, ועלות, מה שהופך פלזמה ריסס פלטפורמה מתאימה מאוד עבור TBCs על פני תנאי הפעלה שונים.

יתרונות מרכזיים עבור מכשול הירומל

ריסוס פלאסמה הפך את שיטת ההנעה הדומיננטית עבור TBCs בגלל כמה יתרונות משכנעים התואמים עם הסביבה התפעולית התובענית של טורבינות גז ומערכות אחרות בטמפרטורה גבוהה.

יציבות טמפרטורה קיצונית

טמפרטורת הליבה של מטוס פלזמה יכולה לעלות על 20,000 מעלות צלזיוס, בקלות להמיס כל חומר קרמיקה המשמש TBCs, כולל zirconia ייצוב, alumina, mullite, נדיר-earth zirconates. זה טמפרטורה גבוהה מאפשר טיפול של אבקות ריבוניות ריבוניות (כגון gadolinium zirconate) כי הם קשה אחרת להפקיד באמצעות שכבת ריאות מבוססת קרמיקה, הוא גם מבטיח את הציפוי של הציפוי באופן מלא עם הציפוי של הציפוי, אפילו קרמיקה.

עליונות ומגע

ציפויים מקודדים פלזמה להשיג נקודות חוב בדרך כלל בטווח של 20-70 MPa, בהתאם להכנת תת-הכישור ופרמטרים תהליך.מהירות החלקיקים הגבוהה (עד 400 m /s ב APS) ואת משטח נקי, המופעל על ידי grit פיצוץ או ציפוי אג"ח (מנוסה MCrAlY ⁇ ) לייצר שילוב מכני וכמה מ"ג מתכתי זה חזק נגד מנועי דלקת ריאות חזק.

המונחים: Geometric Versatility

בניגוד לתהליכי ראיית קו כגון EB-PVD, הריסת פלזמה יכולה לספוג צורות גדולות, מורכבות - כולל מעברים קירור פנימיים, משטחים אוויריים, ו shrouds - על ידי מניפולציה של עמדת אקדח הארס והזווית של ה- Robotic אוטומציה מאפשרת לפענוח עקבי על גיאוגרפיות מורכבות, אשר קריטי עבור עיצובים מודרני של טורבינות.

מבנה מיקרו ופורוסיות

אחת התכונות החזקות ביותר של תרסיס פלזמה היא היכולת להתאים את המיקרו של ציפוי באמצעות פרמטרים תהליכים. על ידי התאמת גודל אבקה חלקיקים, enthalpy פלזמה, מרחק עמידה, וקירור substrate, מהנדסים יכולים לייצר ציפויים עם porosity החל מפחות מ-5% (dense) ליותר מ-20% ( ⁇ גבוה) עבור TBCs, נקבוביות מבוקרת, בסדר גבוה (preity) באופן הדרגתית (בדרך כלל 8 מטרים) כי הוא איטי יותר מאשר מצופה יותר מאשר קיבולת מכנית באופן הדרגתית) באופן הדרגתית יותר מאשר מצופה יותר מאשר מצופה יותר מאשר סגסוגת פונקציונליות מכנית (% מצופה יותר מאשר מצופה).

חומרים נבחרים ומיקרו-מבנה

היום עבודה סוס: Ytria-Stabilized Zirconia

החומר הנפוץ ביותר TBC הוא 6-8 wt% yttria-stabilized zirconia (YSZ) שלה מוליכות תרמית נמוכה ( ⁇ 2.3 W / mK ב 1000 ° C), יעיל גבוה של התרחבות תרמית 1200 (קרוב לזה של ניקל מבוסס על superalloys), ויציבות שלב טוב להפוך אותו לנר מעולה.

חומרים מתפתחים

כדי לענות על הביקוש לטמפרטורות בלט טורבינות גבוהות יותר (כיום מעל 1700 מעלות צלזיוס בחלק מהמנועי הצבאיים), החוקרים חוקרים את הרכבים חדשים של קרמיקה:

  • (FLT:0)Gadolinium Zirconate (Gd2Zr2O7): ibph:1 מציעה התנהגות תרמית נמוכה משמעותית מאשר YSZ ( ⁇ 1.2 W/mK) ויציבות טובה יותר מעל 1300 מעלות צלזיוס יש גם דיפרנציות חמצן נמוכה יותר, צמצום חמצן.עם זאת, הרחבה תרמית נמוכה יותר עלולה לגרום להתאמה, הדורשת מתח ביניים או להתאים שכבות.
  • (FLT:0) Lanthanum Cerate (La2Ce2O7) ו- Zirconates נדירים אחרים: ⁇ FLT:1 תרכובות אלה מספקות יציבות תרמית מעולה והתנהגויות נמוכות יותר, אך לעתים קרובות סובלים מהתנגדות גרועה ותגובה כימית עם CMAS (calm-magnesium-alumino-siate) מהפיקוחנים בחולי ו-sh געשי.
  • (FLT:0) פלושיווקר ומבנה Perovskite:FLT ( 1 משפחות כמו סטרנטיון זארוקונטה (SrZrO3) או בריום זקונט (BaZrO3) נמצאים תחת חקירה עבור נקודות ההיתוך הגבוהות שלהם והתנהגויות נמוכות.

חיידק Microstructural Tailoring for Performance

המיקרו-מבנה של הציפוי – porosity, splat מורולוגיה, מיקרו-קracks וחוספס בין-גזעי – הוא הקשר בין תכונות חומריות לבין ביצועים סופיים.

  • (FLT:0) קונבנציונלי Dense Lamellar:cioFLT:1 , פורוזיות נמוכה, צפיפות גבוהה בשימוש עבור עמידות לשחיקה אבל יש מוליכות תרמית גבוהה יותר.
  • (FLT:0) סדקים אנכיים ו Vertical-Cracked:cioFLT (:1 שליטה פורוזיות (10-15%) וסדקים אנכיים דקים אשר מגבירים את סובלנות המתח תחת רכיבה תרמית. Achieved על ידי התאמת פרמטרים של תרסיס (למשל, מרחק עמידה גבוה, טמפרטורה נמוכה יותר).
  • (FLT:0)Columnar Micro Structure:FLT:1 Mimics EB-PVD של עמודות סובלניות זנים של EB-PVD. נוצר על ידי השעיה PS (SPS) או באמצעות עיצובים חדשים של לפידים אלה יכולים להכיל עיוותים גדולים של התרחבות תרמית אבל הם מורכבים יותר לייצר.

על ידי שילוב האדריכלות הללו בעיצובים מעוכבים, מהנדסים יכולים ליצור TBCs אשר בו זמנית מציעים מוליכות נמוכה, דבקות טובה, עמידות גבוהה.

יישומים בתעשיות

TBCs sesma-sprayed TBCs כבר פרסו בהצלחה במשך עשרות שנים בסביבות שבהן חום קיצוני גזים אגרסיביים היו הורסים רכיבים מתכת בתוך דקות.

מנועים חשמליים ו- Jet Engines

בטורפים מודרניים, TBCs מוחל על להבים טורבינות, נדרים, קוטור, ורכיבי לאחרבורן.לדוגמה, סדרת טרנט של רולס-רוס משתמשת YSZ TBCs על טורבינות בלחץ גבוה כדי לאפשר טמפרטורות הפעלה מעל 1600 מעלות צלזיוס - הרבה מעל נקודת ההיתוך של תת-קרקעית פלססטראט.

Power Generation Gas Turbines

טורבינות גז המבוססות על הקרקע המשמשות לייצור חשמל פועלות מתחת למחזורים תרמיים פחות חמורים מאשר מנועי טיסה אך דורשות עמידות ארוכת טווח (עשרות אלפי שעות) TBCs שזורקו על רכיבים גז חם - חתיכות רנסאנס, תאי בעירה, תחילה שלבים בשלב הראשון - טמפרטורות ירי גבוהות יותר ויעילות.

יישומים לרכב ויישומים נוספים של טמפרטורי

ב דיזל ודלק טורפוטענים, פלזמה-sprayed TBCs להפחית את דחיית החום ולשפר את התגובה turbo lag על ידי שמירה על גזים ממצה חם יותר. בדומה, הם משמשים כתרים piston וראשי גלילי עבור מנועי מירוץ. Beyond Engines, ציפויים פלסמה-sprayed מגן על crucibles, thermocouple Sheaths, ו פארנס רולרים בטמפרטורה גבוהה תהליך ייצור מאפשר ציפויים של כל ציפויים של סוללות עדינה גמישה.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות בשלותיה, פלזמה ריסוס עבור TBCs מתמודדת עם מספר מגבלות שהמחקר מטפל בהן באופן פעיל.

גירוש מכניזם

מצבי הכישלון העיקריים של TBCs שזורקים על ידי פלזמה הם:

  • (FLT:0) Thermal Cycling Fatigue:cioFLT:1) חוזר על הרחבה וההתכווצות גורם ללחץ שמוביל לדמומינציה בממשק האג"ח או בתוך המעיל העליון של קרמיקה. סדקים אנכיים (כפי שמושרה על ידי נקבוביות מבוקרת) יכולים להקל על הלחץ הזה, אבל בקרת תהליכים היא קריטית.
  • (FLT:0) ,intersizing:0.Sintering: FLT:1 בחשיפה ארוכה מעל 1100 מעלות צלזיוס, ⁇ YSZ משחתות, עלייה בהתנהגות תרמית ונוקשות, אשר מפחית את יכולת הציפוי לציית להתרחבות תת-קרקעית.
  • CMAS Attack:FLT:1 מולטן חול ואשפה געשית (calcium-magnesium-alumino-silicate) infiltrate theציפוי של החול, להגיב עם YSZ, וגורם ספיגה על קירור.אסטרטגיות כוללות קפיצות ראשונות צפופות, שכבות מקודשות מונדסות, או CMAS-resists-resists כמו gconlin.
  • (FLT:0)Bond Oxidation:FreaLT:1 ; מטבוליזם diffuses דרך YSZ ו oxidizes את מעיל האג"ח, להרכיב שכבת תחמוצת חום (TGO) שבסופו של דבר גורמת למעיל העליון הקרמיקה לדעוך.

תהליכי חדשנות

כדי להתגבר על האתגרים האלה, החוקרים מתקדמים בתהליך ריסוס פלזמה עצמו:

  • (FLT:0) שכנוע ופתרון פלאסמה Spraying:FLT:1 אלה מאפשרים את מחיקת חלקיקים ננו בגודל, הפקת מבנים דמויי טורה שהם סובלניים ומוליכים נמוך ללא עלות המסחר EB-PVD.
  • (FLT:0)Plasma Spray-Physical Vapor Deposition (PS-PVD): אנדרטה 1 היברידית שפועלת בתא בלחץ נמוך עם זרימה גבוהה מאוד פלזמה.הוא הפיק חומר חלקית כמו vapor וחלק כמו טיפות, יצירת ציפויים עם מבני עמודה ייחודיים וכיסוי מצוין.
  • (FLT:0) עיבוד בזמן אמת: חיישנים של טמפרטורה ומהירות חלקיקים (למשל, pyrometry אופטי) משולבים לתוך קווי ייצור כדי להבטיח חזרות ואיכות. אלגוריתמי למידת מכונה עכשיו לחזות פרמטרים אופטימליים המבוססים על תכונות ציפוי הרצוי.
  • (FLT:0) Feedstocks ידידותיים לסביבה: ibFLT:1) התעשייה מתרחקת מפתרונות רעילים ומפחיתה את הפסולת על ידי מיחזור של אבקת overspray.פיתוח של השעיה מבוססת מים עבור SPS גם מוריד את פליטות.

קואטים של גדר הסביבה (EBCs)

(ב) מרכיבים מורכבים (CMC) - אשר משמשים יותר ויותר במנועי הדור הבא - כיכרות קרמיקה מותאמת לציפוי מחסום סביבתיים שמגנים מפני מים ותקף חול.חומרים כמו ytterbium disilicate (שלב ריבוע:02FLT:2FLT:2FLT:2FLT 32FLT3,2FLT3,4033,4 LT7) הם גם הם בעלי שליטה חזקה יותר.

משאבים חיצוניים לקריאה נוספת:

  • (ב) NASA: Thermal Barrier Coatings for Turbine Engine Applications
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מסקנה

טכניקות ריסוס פלזמה הפכו הכרחיות לייצור ציפויים תרמיים המגנים על רכיבים עתירי זמן גבוהים בחלל, ייצור חשמל ויישומים תעשייתיים.הגמישות הטבוע של התהליך - פיזור רחב של מגוון רחב של חומרי קרמיקה וצוואר, שליטה על נפיחות מסוימת של סוללות ומיקרו-מבנה, והתאמה לגימנסיה גיאוגרפית - הפכה את השיטה למגמה עבור מסלולים סטנדרטיים של קרינת YS לאחר מכן, כמו מנועי מעקב מתקדמים, כמו מנועי ירכיים, כמו גם חומרים מתקדמים, כמו ירכיים, להמשיך לסוללות סביבתיות, כמו מנועי ירכיים, כמו מנועי מעקב מתקדמים, כמו ירכיים.