Роль современных покрытий в защите компонентов газовых турбин от горячей коррозии

Газовые турбины работают в некоторых из самых сложных условий, обнаруженных в производстве электроэнергии и авиации. Эти машины должны выдерживать экстремальные температуры, которые могут превышать 1,400°C в горячей секции, агрессивные газы сгорания и высокие механические напряжения. Со временем эти суровые условия приводят к множественным формам деградации, причем горячая коррозия является одним из самых коварных и дорогостоящих механизмов отказа. Защита лопастей турбины, лопастей и других компонентов горячего пути стала центральной проблемой для инженеров и материаловедов. Передовые покрытия появились в качестве основного решения, обеспечивая надежный барьер, который продлевает срок службы компонентов, повышает тепловую эффективность и снижает частоту обслуживания. В этой статье исследуется критическая роль передовых покрытий в защите от горячей коррозии, исследуя основную химию атаки, конкретные системы покрытия, используемые сегодня, методы производства, которые их создают, и перспективные разработки на горизонте.

Наука о горячей коррозии в газовых турбинах

Горячая коррозия является формой ускоренного окисления, которое происходит, когда расплавленные соли - обычно сульфат натрия (Na _]2 SO ₄ ) или ванадиевые соединения - конденсируются на горячих металлических поверхностях и реагируют с защитной оксидной шкалой. В газовых турбинах эти соли происходят из примесей в топливе (сера, ванадий, натрий) и в впускном воздухе (хлориды, морская соль). Процесс коррозии сильно зависит от температуры и обычно классифицируется на два режима: Тип I (высокотемпературная горячая коррозия), происходящий между 800 °C и 950 °C, и Тип II (низкотемпературная горячая коррозия) происходящий между 600 °C и 800 °C.

В горячем коррозионном потоке расплавленной соли типа I растворяется защитный оксид хрома (Cr_]2O3O3) масштабы, которые в противном случае замедлили бы дальнейшую атаку. Катастрофический механизм, известный как «базовый флюсинг», подвергает голый сплав быстрому сульфидированию и окислению.O_{5, особенно агрессивен, поскольку он может образовывать стойкую жидкую фазу, которая непрерывно разъедает поверхность металла.]SO4—CoSO2SO—NiSO[[F}

Эволюция защитных покрытий для газовых турбин

Ранние газотурбинные двигатели в 1950-х и 1960-х годах полагались на простые диффузионные покрытия алюминидов, применяемые путем пакетной цементации. Эти покрытия образовывали тонкий богатый алюминием слой, который мог развивать защитную шкалу глинозема (Al_]2O₃ при высокой температуре, предлагая значительное улучшение по сравнению с непокрытыми суперсплавами. Однако, поскольку температуры входа турбины выросли для удовлетворения требований эффективности, ограничения однофазных диффузионных покрытий стали очевидными - им не хватало механической прочности, чтобы противостоять тепловому циклу, и они были уязвимы для быстрого разрушения в присутствии расплавленных солей.

К 1970-м и 1980-м годам введение накладных покрытий, в частности MCrAlY (где M означает никель, кобальт или железо), привело к постепенному изменению производительности. Эти покрытия могли быть адаптированы по составу для обеспечения как окислительной стойкости, так и горячекоррозионной стойкости, и их можно было применять путем плазменного распыления или электронного физического осаждения пара (EB-PVD) с контролируемой пористостью и микроструктурой. Следующая революция пришла с системами термобарьерного покрытия, которые сочетали изоляционное керамическое верхнее покрытие с металлическим склеиванием, что позволило газовым турбинам работать при температурах выше точки плавления основного суперсплава. Сегодня передовые двигатели используют многослойные, функционально сортированные архитектуры покрытия, которые тщательно спроектированы для каждого конкретного применения, от лопастей аэродвигателя до промышленных лопастей газовых турбин.

Ключевые типы продвинутых покрытий и их механизмы

Термические барьерные покрытия (TBC)

Термические барьерные покрытия являются наиболее широко используемым решением для защиты компонентов горячего сечения в современных газовых турбинах. Типичная система TBC состоит из керамической верхней оболочки, чаще всего итрий-стабилизированной цирконии (YSZ) при 6-8 мас.% Y ₂ O ₃ и металлической связки (часто MCrAlY или платина-алюминид). Низкая теплопроводность верхней оболочки (около 1-2 Вт / м·К) создает падение температуры 100-2 Вт / м·К по всему покрытию, сохраняя несущий суперсплав значительно ниже его пределов ползучести и плавления. Эта термоизоляция непосредственно снижает скорость горячей коррозии, поскольку температура поверхности металла остается ниже порога для агрессивного потока соли.

Связной слой играет двойную роль: он должен прилипать к субстрату суперсплава при формировании стабильной, медленно растущей оксидной шкалы (термически выращенный оксид, TGO), который химически связывается с керамическим верхним покрытием. Композиция связки имеет решающее значение для горячекоррозионной стойкости. Например, покрытия с высоким содержанием хрома MCrAlY с >20 масс.% Cr предпочтительны для низкотемпературной горячего коррозионного сопротивления, в то время как высокоалюминиевые варианты (например, NiCoCrAlY с >10 масс.% Al) превосходят при высоких температурах. Недавние исследования были сосредоточены на уменьшении дефектов в TGO и на модификации YSZ с допантами, такими как гадолиния или иттербия, для повышения устойчивости к атаке отложений кальций-магний-алюминосиликатных (CMAS) отложений, основная проблема в двигателях, работающих в пыльных средах. Дополнительные детали о механизмах деградации T

Экологические барьерные покрытия (EBC)

Поскольку проектировщики газовых турбин стремятся к более высоким температурам сгорания и использованию легких высокотемпературных композитов из керамической матрицы (CMC), традиционные металлические покрытия становятся недостаточными. CMC, как правило, карбид кремния (SiC) волокнистые матрицы SiC, подвержены рецессии в присутствии водяного пара и газов сгорания - явление, вызванное улетучиванием защитного кремнезема (SiO _{] 2} ].

Современные EBC используют такие материалы, как редкоземельные силикаты (например, дисиликат иттербия, Yb₂Si₂O_{7, которые демонстрируют низкую диффузионную способность кислорода, химическую стабильность в паре и коэффициенты теплового расширения, соответствующие базовой CMC-подложке. Запечатывая поверхность и сопротивляясь образованию летучих гидроксидов, EBC могут продлить срок службы саванов CMC, линейок горючего и лопастей турбин в двигателях, работающих на природном газе или водороде. Кроме того, многослойные архитектуры EBC — такие как слой кремниевой связи, промежуточный слой муллита и верхняя шерсть редкоземельного силиката — в настоящее время коммерциализируются для промышленных турбин следующего поколения. Развитие EBC тесно связано с расширением газовых турбин с водородным топливом, где повышенное содержание водяного}

Алюминид и покрытия MCrAlY

Даже без керамической верхней оболочки металлические накладки и диффузионные покрытия необходимы для среднетемпературных применений и в качестве склеиваемых покрытий в системах TBC. Алюминидные покрытия производятся путем диффузии алюминия в поверхность суперсплава, создавая зону NiAl или кобальт-алюминидов интерметаллов. Их горячая коррозионная стойкость возникает из способности образовывать непрерывную, прилипшую шкалу Al₂O₃ при воздействии кислорода. Однако коррозионные характеристики простых алюминидов могут быть ограничены наличием примесей серы и разбросом во время теплового цикла. Для преодоления этих недостатков были разработаны платиновые модифицированные алюминиды — платина обогащает покрытие, снижает критическое содержание алюминия, необходимое для формирования защитной шкалы, и повышает устойчивость как к горячему коррозионному воздействию типа I, так и типа II. Эти покрытия теперь стандарт

Накладные покрытия MCrAlY обеспечивают большую композиционную гибкость, чем диффузионные покрытия. Регулируя соотношения никеля, кобальта, хрома, алюминия и иттрия (или других реактивных элементов, таких как гафний или кремний), инженеры могут адаптировать покрытие для конкретных режимов коррозии. Например, покрытие NiCoCrAlY с 12-14 мас.% Cr и 6-8 мас.% Al обеспечивает отличный баланс окисления и горячекоррозионной стойкости. Добавление иттрия (или гафния) улучшает адгезию плазменной шкалы и замедляет рост шкалы. Эти покрытия обычно применяются с помощью распыления плазмы низкого давления (LPPS) или высокоскоростного окситопливного (HVOF) распыления, которые производят плотные, безкислородные слои с контролируемым содержанием оксида. Международный центр ресурсов коррозии NACE предлагает подробные технические бюллетени о производительности вариантов MCrAlY в конкретных топливных средах.

Горячая коррозия является ведущей причиной внеплановых отключений на электростанциях. Полевые исследования показали, что лезвия, защищенные должным образом выбранным покрытием MCrAlY, могут работать от 50 000 до 100 000 часов, прежде чем потребуется ремонт, тогда как непокрытые лезвия в той же среде могут выйти из строя всего за 5 000 до 10 000 часов. Экономическое воздействие существенно: однократное отключение замены лезвия может стоить коммунальным предприятиям сотни тысяч долларов в виде потерянных доходов от электроэнергии и ремонтных работ. Расширяя интервалы между крупными проверками от трех до пяти или шести лет, передовые покрытия генерируют четкую отдачу от инвестиций. Кроме того, использование горячекоррозионно-стойких покрытий позволяет операторам сжигать более дешевые тяжелые виды топлива или биотопливо с более высоким уровнем загрязняющих веществ, обеспечивая конкурентное преимущество по мере перехода энергетического сектора к декарбонизированному исходному материалу. Для недавней перспективы отрасли на производительность покрытия в турбинах на тяжелом топливе см. Полевые испытания Turbo