Materielle Kennzeichnung für Stromerzeugungs-Anwendungen

Die Meisten der Leistung, die in den Vereinigten Staaten erzeugt wird, wird mit Turbinen entweder unter Verwendung einer Rankine-Schleife (wenn der Dampf durch Kernreaktoren hergestellt ist oder durch das Brennen der Kohle oder der Biomasse) oder einer Brayton-Schleife erzeugt (mit natürlicher oder Synthese Gaszündung). In beiden Fällen ist die Hauptstrategie für zunehmende Leistungsfähigkeit dieser Turbinen, die Höchstschleifentemperatur zu erhöhen.

Das Ziel der sauberen Kohlenforschung ist, die Dampftemperatur vom aktuellen US-Pflanzendurchschnitt von ~550°C auf 700°-760°C zu erhöhen, das Leistungsfähigkeit (und Emissionen verringern) um >30% erhöhen würde. Ähnlich Strahltriebwerken auf Flugzeugen, ist die Höchsttemperatur in den landgestützten Gasturbinen der höchsten Leistungsfähigkeit 1500°-1700°C, das höher als die Schmelztemperatur der meisten herkömmlichen Legierungen ist. An diesen Bedingungen werden Ni-Basis Superlegierungsschaufeln und -leitschaufeln in der Turbine durch hoch entwickelte Kühlsysteme des Filmes und durch Beschichtungen der thermischen Sperre geschützt.

Diese Beschichtungen bestehen aus einer keramischen Schicht (niedrigem Wärmeleitfähigkeitszirkoniumdioxid) oben auf eine Oxidation-beständige metallische Beschichtung.¹ Die hohen Temperaturen und die ätzenden Umgebungen (Dampf, Verbrennungsgas) können Materialien schnell vermindern. Jedoch benötigt Stromerzeugung für das kommerzielle elektrische Gitter ein hohes Maß Zuverlässigkeit mit längeren Zeiträumen (Jahre) der Operation mit minimalem Abschalten.

So studiert ein Schlüsselmaterialforschungsgegenstand den Hochtemperaturabbau von Bewerbermaterialien (einschließlich schützende Beschichtungen) und bestimmt die Kinetik des Abbaus unter Verwendung der verschiedenen Kennzeichnungstechniken mengenmäßig. Abbau kann zur Korrosion des Materials an der mechanischen Belastung oder passend liegen wegen der reagierenden Umgebung.

Das Hauptkennzeichnungshilfsmittel für die herkömmlichen strukturellen Legierungen (wie ferritische oder Austenitstahle oder Ni-Basis Legierungen) verwendet in den meisten Stromerzeugungsanwendungen ist metallografische Querschnitte. Material wird geschnitten, montiert in Epoxy-Kleber oder in andere Media und poliert, um die Legierungsmikrostruktur und die Tiefe des Angriffs zu prüfen. Prüfungen sind durch Lichtmikroskopie und, für höhere Vergrößerungen, Elektronenmikroskopie.

Unter Verwendung der Elektronenmikroskopie können chemische Zusammensetzungen bestimmt werden, indem man die charakteristischen Röntgenstrahlen misst, die vom Material wegen der Erregung durch den BeinflussenElektronenstrahl ausgestrahlt werden. Unter Verwendung der dispersiven Röntgenanalyse der Energie (typisch auf Scannenelektronenmikroskopen) oder der dispersiven Röntgenanalyse der Wellenlänge (typisch auf Elektronmikrosonden), der chemischen Zusammensetzung des Oberflächenreaktionsproduktes und der zugrunde liegenden Legierung kann, besonders als Funktion der Tiefe entschlossen sein, zum von Änderungen zu bestimmen.

Beispiele werden in Abbildungen 1 und 2 für eine Handels-Ni-Basis Legierung gezeigt. Als Cr-Reicheres Oxid bildet sich auf der Oberfläche zur längeren Zeit und höhere Temperaturberührungen, Cr wird von der zugrunde liegenden Legierung verbraucht (Abbildung 2), die die mechanischen Eigenschaften beeinflussen kann. Schließlich führt solche Entleerung zu ein beschleunigtes Korrosionskinetik- und -bauteilversagen. Dieses Baumuster der Kennzeichnung ist zur Formung der langfristigen Leistung (50-250kh) von diesem und von anderen Materialien und zur Vorhersage von Lebenszeit- und maximalengebrauchstemperaturen wesentlich.

Abbildung 1. Sekundärelektron-Rasterelektronenmikroskop-Querschnittsbild von Handelslegierung 230 (Ni-22wt.%Cr-14W) nach 5,000h an 1000°C in einer Laborluft. Das Probenmaterial wurde Cu-Überzogen, bevor man, zum des Oberflächenoxids zu schützen montierte. Die Daten von der Scan-Zeile sind eins der Profile in Abbildung 2.

Hoch entwickeltere Kennzeichnungstechniken werden verwendet, um die Vorrichtungen des Abbaus zu studieren. Zum Beispiel ¹⁸können O-Indikatoren verwendet werden, um die Wachstumsvorrichtung des Oberflächenoxids oder der Schuppe zu bestimmen.^2,3 Röntgenstrahlbeugung (XRD) ist allgemein verwendet, Phasenzusammensetzung zu kennzeichnen. In-situ-XRD kann helfen, Phasentransformationen und dynamische Phänomene zu verstehen, die während des Services an der hohen Temperatur auftreten.^4,5

Abbildung 2. Elektronmikrosonde Cr-Zusammensetzungsprofile von den Proben der Legierung 230 freigelegt bei drei verschiedenen Bedingungen in einer Laborluft. Nahe der Oberfläche liegt der Crinhalt an der Entstehung eines Cr-Reichen Oxids höher. Unter der externen Schuppe wird die Legierung im Cr abhängig von der Expositionsdauer und der Temperatur verbraucht.

Analytische Transmissions-Elektronenmikroskopie wird verwendet, um die thermisch gewachsene Schuppe sogar an den höheren Vergrößerungen zu studieren und kann den Einbauort von Dopanten kennzeichnen.⁶ Analytische Oberflächentechniken (z.B., Stangenbohrer- oder Röntgenstrahlphotoelektronspektroskopie) können den Zusammensetzungs- und Chemikalienzustand von dünnen Oberflächenreaktionsprodukten und von Schnittstelle segregants kennzeichnen. Aktuell⁷ werden neue Kennzeichnungstechniken erforscht, um die vorgeschlagene Rolle des Wasserstoffs in den entwürdigenden Materialien, die, um freigelegt werden zu dämpfen oder im Abgas zu studieren (enthalten HO).₂ ³

Bezüge

1. B. Gleeson, „Thermische Sperren-Beschichtungen für Flugzeugmotorn-Anwendungen,“ J. Prop. Leistung, 22 (2006) 375-383.
2. B.A. Pint, J.R. Martin und L.W. Hobbs, „Kennzeichnung 18O/SIMS der Wachstums-Vorrichtung von Lackiert und Undoped? - Al2O3,“ Oxid. Getroffen. 39 (1993) 167-95.
3. W. legiert J. Quadakkers, J. Zurek und M. Hänsel, „Effekt des Wasserdampfes auf Oxidation der hohen Temperatur von FeCr,“ JOM 61(7) (2009) 44-50.
4. B.A. Pint, S.A. Speakman, C.J. Rawn und Transformationen Y. Zhang, „der Deformation und der Phase Während der Zyklischen Oxidation von Nial und von Ni-Pint-Al,“ JOM 58(1) (2006) 47-52.
5. P.Y. Hou, A.P. Paulikas und B.W. Veal, „Wachstums-Spannungen in den Thermisch Gewachsenen Schuppen Al2O3 Studiert Unter Verwendung der Synchrotronstrahlung,“ JOM 61(7) (2009) 51-55.
6. B.A. Pint und K.L. Mehr, „Kennzeichnung von Tonerde-Schnittstellen in TBC-Anlagen,“ J. Mater. Sci. 44 (2009) 1676-86.
7. P.Y. Hou, „Abtrennungs-Phänomene an Thermisch Gewachsenen Schnittstellen der Legierungs-Al2O3,“ Annu. Rev. Mater. Res., 38 (2008) 275-98.