طلاء الحاجز الحراري (TBC) لتحسين أداء السبائك الفائقة

هيكل ومواد نظام TBC

يتضمن نظام TBC القياسي طبقتين رئيسيتين تُطبقان باستخدام الرش بالبلازما أو الترسيب الفيزيائي للبخار بالإلكترون (EB-PVD):

• طبقة الربط (150-250 ميكرومتر): توفر طبقة MCrAlY الالتصاق ومقاومة الأكسدة

• الطبقة العلوية (80-300 ميكرومتر): سيراميك زركونيا المثبت بالإيتريا (YSZ) للعزل الحراري والتوافق مع الإجهاد

• الركيزة: مكون من السبيكة الفائقة مصبوب أو مشغل حسب المواصفات، ويتم تنظيفه بالرمل قبل الطلاء

توفر الطلاءات المرشوشة بالبلازما مسامية بنسبة 10-15% لتتحمل الإجهاد. يسمح EB-PVD بإنشاء هياكل ريشية لتبريد أشكال هواء التوربينات.

السبائك الفائقة المحمية عادةً بطلاءات TBC

تقلل طلاءات TBC من الأكسدة، وتؤخر بداية الزحف، وتحمي الأقسام الرقيقة من التشوه الناتج عن الحرارة.

دراسة حالة: YSZ المرشوش بالبلازما على أشكال هواء CMSX-4

خلفية المشروع

تطلب مصنع توربينات طلاء TBC لأشكال هواء CMSX-4 العاملة عند 1100 درجة مئوية. تم تطبيق YSZ المرشوش بالبلازما (8% وزني Y₂O₃) بسمك 180 ميكرومتر، فوق طبقة ربط NiCoCrAlY بسمك 200 ميكرومتر. قلل طلاء TBC من درجات حرارة سطح المعدن بمقدار 140 درجة مئوية وزاد من عمر الزحف بمقدار 1.8 مرة.

المكونات المطلية بطلاء TBC النموذجية والتطبيقات

تم اختبار جميع الأجزاء للتأكد من التصاق الطلاء، والمسامية، والصدمة الحرارية، وسلامة السطح.

تحديات وحلول تطبيق طلاء TBC

1. خطر التقشير عندما يتجاوز عدم تطابق التمدد الحراري 15 × 10⁻⁶/كلفن بين الركيزة والسيراميك

2. التآكل تحت تدفق غاز >30 م/ث يقلل من سمك الطبقة العلوية مع مرور الوقت - تحسين الكثافة يزيد المتانة

3. تشكل طبقة أكسيد تحت طبقة الربط إذا كانت التحضير السطحي أو البيئة غير مضبوطة

4. مطلوب خشونة سطح Ra ≤ 5 ميكرومتر للأسطح المحكمة بعد طلاء TBC ويجب تحقيقها بالصقل أو التغطية

5. الإجهاد الحراري عند >1000 دورة يتطلب مسامية طبقة علوية متوافقة وبنية عمودية مجهرية

حلول طلاء TBC بالبلازما لمكونات السبائك عالية الحرارة

• الرش بالبلازما بقدرة 45-55 كيلوواط لترسيب موحد للطبقة العلوية بسمك 100-250 ميكرومتر

• تغطية دقيقة ±0.1 مم لحماية ميزات الإحكام والخيوط

• تنظيف الركيزة بالرمل لخشونة سطح 4-6 Ra ميكرومتر وتطبيق NiCoCrAlY للتحكم في الأكسدة

• YSZ مع 8% وزني Y₂O₃ مثبت لمقاومة عالية للدورات الحرارية حتى 1200 درجة مئوية

• التحقق بعد الطلاء عبر فحص CMM، و SEM، و الأشعة السينية

النتائج والتحقق

تنفيذ عملية الطلاء

تم تطبيق الطلاءات في خلية بلازما محكمة الفراغ مع مراقبة الرش الحراري في الوقت الفعلي. تم ضبط معايير الرش حسب الشكل الهندسي ونوع الركيزة.

الأداء الحراري

أظهرت الأسطح المطلية بـ YSZ انخفاضًا في درجة حرارة السطح بمقدار 140-160 درجة مئوية تحت تدفق غاز عند 1100 درجة مئوية. اجتازت الأجزاء اختبار الصدمة الحرارية لـ 1000 دورة.

تشطيب السطح

تم الاحتفاظ بالأبعاد الحرجة بعد الطلاء مع طحن وجوه الإحكام إلى خشونة سطح Ra 4.5 ميكرومتر. تم الحفاظ على انتظام سمك الطلاء ضمن ±10 ميكرومتر.

التفتيش

تحقق CMM من الشكل الهندسي. أكد SEM مسامية بنسبة 10-12%، دون تشققات مجهرية. تحقق فحص الأشعة السينية من سلامة خط الالتصاق.

الأسئلة الشائعة

1. ما هي أقصى درجة حرارة تشغيل لأنظمة TBC القائمة على YSZ؟

2. هل يمكن إعادة تطبيق طلاء TBC بعد التعرض للخدمة أو الإزالة؟

3. ما هي مواد طبقة الربط الشائعة الاستخدام لسبائك التوربينات الفائقة؟

4. كيف يؤثر سمك طلاء TBC على عمر المكون والتبريد؟

5. هل تنطبق طلاءات TBC على أجزاء غرفة الاحتراق، والفوهة، والريش التوجيهية؟