अच्छी तरह से डिज़ाइन किया गया TBC टरबाइन में धातु का तापमान कितना कम कर सकता है?

थर्मल इंजीनियरिंग और मटेरियल साइंस के दृष्टिकोण से, एक अच्छी तरह से डिज़ाइन की गई थर्मल बैरियर कोटिंग (TBC) आधुनिक गैस टर्बाइनों के लिए एक महत्वपूर्ण तकनीक है, जो उन्हें अधिष्ठान सुपरएलॉय (superalloy) घटकों के गलनांक से बहुत अधिक तापमान पर काम करने की अनुमति देती है। प्राप्त तापमान में कमी एक निश्चित मान नहीं होती, बल्कि यह TBC की विशेषताओं, शीतलन प्रणाली और परिचालन वातावरण पर अत्यधिक निर्भर एक प्रणालीगत परिणाम होती है।

सामान्य धातु तापमान में कमी

एक मजबूत और अच्छी तरह से अभियांत्रिक TBC प्रणाली आम तौर पर अधिष्ठान सुपरएलॉय सब्सट्रेट का तापमान 150°C से 250°C (270°F से 450°F) तक कम कर सकती है। उन्नत और अनुकूलित आंतरिक कूलिंग डिज़ाइन वाले सिस्टमों में यह कमी 300°C (540°F) या उससे अधिक तक पहुँच सकती है।

• मूल प्रदर्शन: कई औद्योगिक और एयरोस्पेस टर्बाइन ब्लेड्स और वेन्स के लिए लगभग 200°C की कमी एक सामान्य डिज़ाइन लक्ष्य होती है। यह इंजन की दक्षता में उल्लेखनीय वृद्धि (उच्च इनलेट तापमान के माध्यम से) और घटकों के जीवनकाल में बड़ी वृद्धि प्रदान करती है, क्योंकि क्रिप और थर्मल थकान कम हो जाती है।

• तंत्र: TBC स्वयं गर्मी को "अवशोषित" नहीं करती, बल्कि यह एक थर्मल इंसुलेटर के रूप में कार्य करती है। इसकी सिरेमिक टॉप कोट की बहुत कम ऊष्मीय चालकता के कारण यह अपनी मोटाई के पार एक तीव्र तापमान ग्रेडिएंट बनाती है, जो आम तौर पर Yttria-Stabilized Zirconia (YSZ) से बनी होती है।

TBC प्रदर्शन को प्रभावित करने वाले प्रमुख कारक

वास्तविक तापमान में गिरावट (ΔT) फूरियर के ऊष्मा चालन के नियम से व्युत्पन्न सूत्र द्वारा शासित होती है: ΔT = (Q * t) / k, जहाँ:

• Q ऊष्मा प्रवाह (Heat Flux) है।

• t कोटिंग की मोटाई है।

• k कोटिंग की ऊष्मीय चालकता है।

यह सूत्र TBC डिज़ाइन के मुख्य नियंत्रण बिंदुओं को उजागर करता है:

1. कोटिंग मोटाई: मोटाई को दोगुना करने से सैद्धांतिक रूप से तापमान में गिरावट दोगुनी हो जाती है। हालाँकि, व्यावहारिक सीमाएँ तनाव, भार और स्पैलेशन (spallation) के जोखिम द्वारा निर्धारित होती हैं। सामान्यतया, मोटाई 100–400 μm तक सीमित रखी जाती है।

2. ऊष्मीय चालकता (k): यह सबसे महत्वपूर्ण भौतिक गुण है। मानक YSZ की चालकता लगभग 2.3 W/m·K होती है। EB-PVD जैसी उन्नत प्रसंस्करण तकनीकें छिद्रपूर्ण, स्तंभाकार सूक्ष्मसंरचना उत्पन्न कर सकती हैं जो प्रभावी चालकता को लगभग 1.5 W/m·K तक घटा देती हैं, जिससे इन्सुलेशन क्षमता में सुधार होता है। Gadolinium Zirconate (GZ) जैसे नए पदार्थों में इससे भी कम अंतर्निहित चालकता होती है।

3. सिस्टम डिज़ाइन – बॉन्ड कोट और TGO: प्रदर्शन केवल टॉप कोट से नहीं आता। पूरा सिस्टम — जिसमें सुपरएलॉय सब्सट्रेट (जैसे Inconel 718), ऑक्सीकरण-प्रतिरोधी बॉन्ड कोट (जैसे MCrAlY), और थर्मली ग्रोन ऑक्साइड (TGO – मुख्य रूप से Al₂O₃) शामिल हैं — समन्वित रूप से कार्य करता है। एक स्थिर और धीरे-धीरे बढ़ने वाला TGO दीर्घकालिक आसंजन के लिए आवश्यक है।

4. आंतरिक शीतलन के साथ समन्वय: जब TBC को आंतरिक कूलिंग चैनलों के साथ संयोजित किया जाता है, तो इसकी प्रभावशीलता और बढ़ जाती है। कोटिंग भाग में ऊष्मा प्रवाह को कम करती है, जिससे आंतरिक शीतलन वायु अधिक प्रभावी रूप से गर्मी निकाल सकती है, और इस प्रकार समग्र धातु तापमान को और भी कम किया जा सकता है।

इंजीनियरिंग विचार और सीमाएँ

1. टिकाऊपन और स्पैलेशन: प्राथमिक विफलता मोड स्पैलेशन है, जो थर्मल विस्तार असमानता से उत्पन्न तनावों और TGO वृद्धि के कारण होता है। अधिकतम उपयोगी मोटाई आम तौर पर इन इंटरफेस तनावों द्वारा सीमित होती है, न कि केवल इन्सुलेशन क्षमता द्वारा।

2. निर्माण और मरम्मत: एयर प्लाज़्मा स्प्रे (APS) या इलेक्ट्रॉन बीम फिजिकल वेपर डिपोज़िशन (EB-PVD) द्वारा TBC लगाना एक विशेषीकृत प्रक्रिया है। बेस कंपोनेंट की मशीनिंग और सतह की तैयारी की गुणवत्ता आसंजन के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण होती है। मरम्मत योग्यता टर्बाइन रखरखाव में एक महत्वपूर्ण आर्थिक कारक है।

3. अनुप्रयोग-विशिष्ट डिज़ाइन: "आदर्श" TBC प्रणाली पावर जेनरेशन टर्बाइन (दीर्घकालिक स्थिरता) और एयरोस्पेस इंजन (थर्मो-मैकेनिकल थकान प्रतिरोध) के बीच भिन्न होती है। प्रत्येक डिज़ाइन को कठोर थर्मल साइकलिंग परीक्षणों के माध्यम से सत्यापित किया जाना चाहिए।