Materiële Karakterisering voor de Toepassingen van de Generatie van de Macht

Het Grootste Deel van de macht in de Verenigde Staten wordt geproduceerd wordt geproduceerd met turbines gebruikend of een cyclus Rankine (met stoom door kernreactors of door steenkool of biomassa wordt gecreeerd te branden) of een cyclus van Brayton (met natuurlijk of synthese gas-vuren dat). In één van beide geval, moet de belangrijkste strategie om efficiency van deze turbines te verhogen de piekcyclustemperatuur verhogen.

Het doel van schoon steenkoolonderzoek is de stoomtemperatuur van het huidige de installatiegemiddelde van de V.S. van ~550°C tot 700°-760°C te verhogen, die efficiency (en emissies verminderen) met >30% zou verhogen. Gelijkaardig aan straalmotoren op vliegtuigen, is de piektemperatuur in de hoogste efficiency land-based gasturbines 1500°-1700°C, die hoger is dan de het smelten temperatuur van de meeste conventionele legeringen. Bij deze voorwaarden, Ni-Basis superalloy worden de bladen en de vinnen in de turbine beschermd door verfijnde film koelsystemen en door thermische barrièredeklagen.

Deze deklagen bestaan uit een ceramische laag (laag warmtegeleidingsvermogenzirconiumdioxyde) bovenop een oxydatie-bestand metaaldeklaag.¹ De hoge temperaturen en de corrosieve milieu's (stoom, verbrandingsgas) kunnen materialen snel degraderen. Nochtans, vereist de machtsgeneratie voor het commerciële elektronet een hoge graad van betrouwbaarheid met uitgebreide periodes (jaren) van verrichting met minimale sluitingen.

Aldus, bestudeert een zeer belangrijk onderwerp van het materialenonderzoek de degradatie op hoge temperatuur van kandidaatmaterialen (met inbegrip van beschermende deklagen) en kwantificeert het tarief van degradatie gebruikend diverse karakteriseringstechnieken. De Degradatie kan aan de mechanische lading aan de corrosie van het materiaal toe te schrijven of toe te schrijven zijn toe te schrijven aan het reactieve milieu.

Het primaire karakteriseringshulpmiddel voor conventionele structurele die legeringen (zoals ferritic of austenitic staal of Ni-Basis legeringen) in de meeste toepassingen van de machtsgeneratie is worden gebruikt metallographic dwarsdoorsneden. Het Materiaal wordt gesneden, in epoxy of andere media gesneden en opgepoetst om de legeringsmicrostructuur en de diepte van aanval te onderzoeken. De Onderzoeken zijn door de lichte microscopie en, voor hogere vergrotingen, elektronenmicroscopie.

Gebruikend elektronenmicroscopie, kunnen de chemische samenstellingen door de kenmerkende die röntgenstralen te meten van het materiaal worden bepaald toe te schrijven aan opwinding door de beïnvloedende elektronenstraal worden uitgezonden. Gebruikend typische energie verbrokkelde x-ray analyse (van aftastenelektronenmicroscopen) of typische golflengte verbrokkelde x-ray analyse (van elektronenmicrosondes), kunnen de chemische samenstelling van het product van de oppervlaktereactie en de onderliggende legering, vooral als functie van diepte worden bepaald om veranderingen te bepalen.

De Voorbeelden worden getoond in Cijfers 1 en 2 voor commerciële een Ni-Basis legering. Als Cr-Rijkere oxydevormen op de oppervlakte bij langere tijd en hogere temperatuurblootstelling, wordt Cr uitgeput van de onderliggende legering (Figuur 2), die de mechanische eigenschappen kan beïnvloeden. Uiteindelijk, zal dergelijke uitputting leiden tot een versnelde van de corrosietarief en component mislukking. Dit type van karakterisering is essentieel aan de modellering van de (50-250kh) prestaties op lange termijn van dit en andere materialen en het voorspellen van levens en maximumgebruikstemperaturen.

Figuur 1. Het Secundaire beeld van de de elektronenmicroscoopdwarsdoorsnede van het elektronenaftasten van commerciële legering 230 (Ni-22wt.%Cr-14W) na 5,000h bij 1000°C in laboratoriumlucht. Het specimen was Cu-Geplateerd alvorens om het oppervlakteoxyde op te zetten te beschermen. De gegevens van de aftastenlijn zijn één van de profielen in Figuur 2.

De verfijndere karakteriseringstechnieken worden gebruikt om de mechanismen van degradatie te bestuderen. Bijvoorbeeld, ¹⁸kunnen de traceurs van O worden gebruikt om het de groeimechanisme van het de oppervlakteoxyde of schaal te bepalen.^2,3 De diffractie van de Röntgenstraal wordt (XRD) algemeen gebruikt om fasesamenstelling te identificeren. XRD In situ kan helpen om fasetransformaties en dynamische fenomenen te begrijpen die tijdens de dienst bij op hoge temperatuur voorkomen.^4,5

Figuur 2. Van de microsondeCr van het Elektron de samenstellingsprofielen van steekproeven van legering 230 bij drie verschillende voorwaarden in laboratoriumlucht die wordt blootgesteld. Dichtbij de oppervlakte, is de inhoud van Cr hogere toe te schrijven aan de vorming van een Cr-Rijk oxyde. Onder de externe schaal, wordt de legering uitgeput in Cr afhankelijk van de de blootstellingstijd en temperatuur.

De Analytische transmissieelektronenmicroscopie wordt gebruikt om de thermaal gekweekte schaal bij nog hogere vergrotingen te bestuderen en kan de plaats van additieven identificeren.⁶ Kunnen de analytische technieken van de Oppervlakte (b.v., avegaar of x-ray foto-elektronspectroscopie) de samenstelling en de chemische staat van de dunne producten van de oppervlaktereactie identificeren en zetten segregants om. Momenteel⁷ , worden de nieuwe karakteriseringstechnieken onderzocht om de voorgestelde die rol van waterstof te bestuderen in het degraderen van materialen aan stoom of uitlaatgas blootgesteld (HO bevatten) worden die.₂ ³

Verwijzingen

1. B. Gleeson, de „Thermische Deklagen van de Barrière voor de Toepassingen van de Vliegtuigmotor,“ J. Prop. Macht, 22 (2006) 375-383.
2. B.A. Pint, J.R. Martin en L.W. Hobbs, „Karakterisering 18O/SIMS van het Mechanisme van de Groei van Gesmeerd en Undoped? - Al2O3,“ Oxid. Met. 39 (1993) 167-95.
3. W.J. Quadakkers, J. Zurek, en M. Hänsel, „Effect van waterdamp bij de oxydatie op hoge temperatuur van legeringen FeCr,“ JOM 61(7) (2009) 44-50.
4. B.A. Pint, S.A. Speakman, C.J. Rawn en Transformaties van Y. Zhang, de „van de Misvorming en van de Fase Tijdens Cyclische Oxydatie van Nial en Ni-PT-Al,“ JOM 58(1) (2006) 47-52.
5. P.Y. Hou, A.P. Paulikas, en B.W. Veal, de „Spanningen van de Groei in Thermaal Gekweekte Al2O3 Bestudeerde Schalen Gebruikend de Straling van het Synchotron,“ JOM 61(7) (2009) 51-55.
6. B.A. Pint en K.L. Meer, „Karakterisering van Alumina Interfaces in Systemen TBC,“ J. Mater. Sc.i. 44 (2009) 1676-86.
7. P.Y. Hou, de „Fenomenen van de Scheiding bij de Thermaal Gekweekte Al2O3 Interfaces van de Legering,“ Annu. Toer Mater. Onderzoek., 38 (2008) 275-98.