ما مقدار خفض درجة حرارة المعدن الذي يمكن أن يحققه طلاء الحاجز الحراري المصمم جيدًا في التوربينات؟

من منظور هندسة الحرارة وعلوم المواد، يُعتبر الطلاء الحراري العازل (TBC) تقنية أساسية تمكينية في توربينات الغاز الحديثة، إذ يسمح لها بالعمل عند درجات حرارة تتجاوز نقطة انصهار السبائك الفائقة المستخدمة في المكونات الأساسية. لا يمثل الانخفاض في درجة الحرارة قيمة واحدة ثابتة، بل هو نتيجة تعتمد على النظام بأكمله، وتتأثر بشدة بخصائص الطلاء وطريقة التبريد والبيئة التشغيلية.

الانخفاض النموذجي في درجة حرارة المعدن

يمكن لنظام TBC قوي ومهندَس جيدًا أن يقلل درجة حرارة السبيكة الفائقة الأساسية بمقدار 150°C إلى 250°C (270°F إلى 450°F). وفي الأنظمة المتقدمة المصممة بشكل مثالي والمجهزة بتبريد داخلي للمكونات، يمكن أن يصل هذا الانخفاض إلى 300°C (540°F) أو أكثر.

• الأداء الأساسي: بالنسبة للعديد من شفرات وريش التوربينات الصناعية والطيران والفضاء، يُعد انخفاض يقارب 200°C هدفًا تصميميًا شائعًا. يترجم ذلك مباشرة إلى زيادة كبيرة في كفاءة المحرك (من خلال درجات حرارة دخول أعلى) وإطالة ملحوظة لعمر المكونات عن طريق تقليل الزحف والإجهاد الحراري.

• الآلية: لا “يمتص” TBC الحرارة، بل يعمل كعازل حراري، مكوّنًا تدرجًا حراريًا حادًا عبر سمكه بسبب الموصلية الحرارية المنخفضة جدًا للطبقة الخزفية العليا، والتي تتكون عادة من زركونيا مثبتة بالإيتريا (YSZ).

العوامل الرئيسية التي تؤثر على أداء TBC

يُحكم الانخفاض الفعلي في درجة الحرارة (ΔT) بالصيغة المشتقة من قانون فورييه لتوصيل الحرارة: ΔT = (Q * t) / k، حيث:

• Q هو التدفق الحراري.

• t هو سُمك الطلاء.

• k هو الموصلية الحرارية للطلاء.

تُظهر هذه العلاقة العوامل الرئيسية في تصميم TBC:

1. سُمك الطلاء: نظريًا، يؤدي مضاعفة السُمك إلى مضاعفة انخفاض درجة الحرارة. ومع ذلك، تُفرض حدود عملية بسبب الإجهادات والوزن وخطر الانفصال. عادة ما يُقتصر السُمك على 100-400 ميكرون.

2. الموصلية الحرارية (k): وهي أهم خاصية مادية. تتمتع زركونيا YSZ القياسية بموصلية تقارب ~2.3 W/m·K. يمكن لتقنيات المعالجة المتقدمة مثل EB-PVD إنشاء بنية مسامية عمودية يمكن أن تخفض الموصلية الفعالة إلى ~1.5 W/m·K، مما يعزز الأداء العازل. توفر المواد الأحدث مثل زركونات الجادولينيوم (GZ) موصلية أقل بطبيعتها.

3. تصميم النظام – طبقة الربط وطبقة الأكسيد (TGO): لا يأتي الأداء فقط من الطبقة العليا. يعمل النظام بأكمله—بما في ذلك الركيزة الفائقة مثل Inconel 718، وطبقة الربط المقاومة للأكسدة (مثل MCrAlY)، وطبقة الأكسيد النامية حراريًا (TGO – أساسها Al₂O₃)—بشكل متكامل. تُعد طبقة TGO مستقرة وبطيئة النمو ضرورية للالتصاق طويل الأمد للطلاء الحراري.

4. التآزر مع التبريد الداخلي: تتضاعف فعالية TBC عند دمجه مع قنوات تبريد داخلية. يقلل الطلاء من تدفق الحرارة إلى الجزء، مما يسمح للهواء المبرد الداخلي باستخلاص الحرارة بشكل أكثر كفاءة، وبالتالي خفض درجة حرارة المعدن الإجمالية أكثر مما يمكن لأي تقنية تحقيقه بمفردها.

الاعتبارات والقيود الهندسية

1. المتانة والانفصال (Spallation): وضع الفشل الرئيسي هو الانفصال الناتج عن اختلاف التمدد الحراري ونمو طبقة TGO. غالبًا ما يُحدد الحد الأقصى للسُمك القابل للاستخدام من خلال هذه الإجهادات البينية، وليس من خلال إمكانات العزل.

2. التصنيع والإصلاح: يُعد تطبيق TBC بواسطة الرش بالبلازما الجوية (APS) أو الترسيب بالبخار الفيزيائي بشعاع الإلكترون (EB-PVD) عملية متخصصة. تُعتبر جودة تشغيل المكونات الفائقة والتحضير السطحي أمرين حاسمين للالتصاق. كما تُعد إمكانية الإصلاح عاملاً اقتصاديًا رئيسيًا في صيانة التوربينات.

3. تصميم خاص بالتطبيق: يختلف “النظام المثالي” لـ TBC بين توربينات توليد الطاقة (التي تتطلب استقرارًا طويل الأمد) ومحركات الطائرات (التي تتطلب مقاومة عالية للإجهاد الحراري الميكانيكي). يجب التحقق من التصميم من خلال اختبارات دورية صارمة للدورات الحرارية.