Acoperirile cu barieră termică pun o „armatură-izolantă” pe componentele metalice.
În domeniul motoarelor aerodinamice și al turbinelor cu gaz, există o urmărire eternă: temperaturi mai ridicate la intrarea turbinei. Din acest motiv, oamenii de știință din materiale explorează în mod constant modalități de îmbunătățire a-rezistenței la temperatură ridicată a turbinelor, iar una dintre cele mai eficiente metode este de a îmbrăca „îmbrăcăminte de protecție”-acoperirea componentelor turbinei cu acoperiri care au diferite funcții, obținând astfel performanțe de serviciu îmbunătățite, o fiabilitate mai mare și o durată de viață mai lungă.
Acoperiri cu barieră termică într-un motor aero (GP7200) și morfologia secțiunii transversale-a unui sistem tipic de acoperire cu barieră termică
În prezent, acoperirile cu barieră termică au devenit o tehnologie de sprijin cheie pentru depășirea limitelor de serviciu ale materialelor metalice.
Acoperirile cu barieră termică (TBC) sunt un tip de acoperire izolatoare care combină performanța structurală și caracteristicile funcționale. Ele au o structură multistrat ca un „sandwich”, constând dintr-un strat ceramic de izolare termică, un strat metalic de legătură și un substrat de superaliaj. Printre acestea, stratul superior ceramic este stratul funcțional de bază al stratului de barieră termică, suportând direct șocul termic, eroziunea și coroziunea chimică a gazului la temperatură înaltă-. Selectarea materialelor și designul structural al acestui strat determină în mod direct efectul de izolare termică și durata de viață a acoperirii.
Structura de acoperire cu barieră termică
Materialele pe bază de-zirconiu sunt materialul preferat pentru stratul ceramic al acoperirilor cu barieră termică la temperatură înaltă-.
Deoarece materialele pe bază de-zirconiu au performanțe excelente de izolare termică, rezistență la oxidare la-înaltă temperatură, rezistență la coroziune la temperatură ridicată-și rezistență relativ ridicată, acestea au devenit materialul preferat pentru stratul ceramic al acoperirilor cu barieră termică la-temperatură înaltă.
Prima etapă în dezvoltarea straturilor de barieră termică pe bază de zirconiu{0}}a fost utilizarea directă a oxidului de zirconiu (ZrO2) ca material pentru strat ceramic. Transformarea rapidă de fază a ZrO2 în timpul încălzirii limitează temperatura sa de serviciu, rezultând o durată de viață relativ scurtă pentru acoperirea cu barieră termică. A doua etapă a fost utilizarea de 6% în greutate ~ 8% în greutate Y2O3 parțial stabilizat de ZrO2 (YSZ) straturi ceramice. Dopajul cu oxidul de pământ rar Y2O3 a crescut temperatura de transformare de fază a ZrO2, a îmbunătățit stabilitatea fazei la temperatură înaltă-a sistemului ceramic, iar YSZ este încă cel mai utilizat material ceramic de acoperire cu barieră termică la nivel mondial.
Cu toate acestea, pe măsură ce temperaturile de serviciu cresc treptat, sistemul YSZ și-a expus treptat limitările în ceea ce privește stabilitatea fazei, rezistența la sinterizare și performanța la oboseala la ciclul termic. În special în mediile cu temperatură înaltă de peste 1200 de grade, YSZ este predispus la transformarea de fază, ceea ce duce la fragilizarea structurală și defectarea acoperirii. Pentru a rezolva aceste probleme, cercetătorii au început să exploreze noi sisteme de materiale ceramice.
Pulberi pe bază de-zirconiu: primul obstacol pentru „armatura-izolatoare termică” a acoperirilor cu barieră termică.
În aplicațiile de acoperire cu barieră termică, acoperirile preparate din „pulberi de oxid de nano zirconiu și pulberi sferice goale de oxid de zirconiu” prezintă performanțe mai excelente decât acoperirile microstructurate tradiționale.
Datorită „microstructurii lor unice”, acoperirile de barieră termică nanostructurate au de obicei o rezistență mai mare la sinterizare și o toleranță mai bună la deformare, îmbunătățind astfel în mod semnificativ durata de viață a acoperirii. Acoperirile cu barieră termică cu structură sferică goală, datorită „caracteristicilor poroase” lor, pot reduce în mod eficient conductivitatea termică a acoperirii și pot oferi o izolare termică mai bună, având în același timp o mai bună stabilitate și alte caracteristici. Caracteristicile pulberii inițiale de oxid de zirconiu au o influență decisivă asupra performanței acoperirii. Prin urmare, optimizarea proceselor existente de-producere a pulberilor sau explorarea altora mai excelente și dezvoltarea de noi tipuri de pulbere cu performanțe mai bune reprezintă o cale cheie pentru îmbunătățirea performanței acoperirilor cu barieră termică și îndeplinirea cerințelor domeniilor avansate și sofisticate.
Metodele de preparare a pulberilor utilizate în acoperirile cu barieră termică pe bază de-zirconiu la temperatură înaltă-includ depunerea de vapori, metoda sării topite, metoda sol-gelului, metoda de precipitare omogenă, metoda hidrotermală, metoda șablonului și altele. Printre acestea, „metoda hidrotermală” deosebit de remarcabilă, ca metodă de preparare chimică cu mare potențial de dezvoltare, prezintă avantaje remarcabile în prepararea pulberilor de oxid de nano zirconiu pur/dopate. Metoda șablonului poate controla cu precizie diametrul și grosimea peretelui sferelor goale prin selectarea agenților de șablon de diferite dimensiuni și este un mijloc eficient de a obține o pregătire controlabilă a structurilor sferice goale. Piroliza prin pulverizare este mai potrivită pentru producția la scară mare-, formând structuri sferice goale într-o singură etapă prin procesele de atomizare, uscare și piroliză ale unui lichid controlat-precursor.
Comparație a principalelor tehnologii de preparare a materialelor pulbere pe bază de-zirconiu
Introducerea pământurilor rare pentru a dezvolta noi straturi ceramice cu barieră termică pe bază de zirconiu-.
Pe de o parte, îmbunătățirea materialelor de acoperire cu barieră termică existente în timp ce se dopează simultan cu mai mulți oxizi de pământuri rare-oxid de itterbiu, oxid de scandiu, oxid de gadoliniu, oxid de ceriu-poate produce efecte complet diferite.
Pe de altă parte, dezvoltarea de noi pulberi compozite pe bază de-zirconiu (cum ar fi sistemele compozite de oxid de zirconiu și săruri de pământuri rare) a devenit, de asemenea, o direcție importantă de cercetare.
În comparație cu YSZ, materialele cu zirconat de pământuri rare (RE2Zr2O7) prezintă o conductivitate termică mai scăzută, o stabilitate mai mare de fază și o rezistență mai bună la sinterizare, făcându-le candidații de bază pentru următoarea generație de materiale ceramice TBC. Studiile arată că proprietățile excelente ale zirconaților de pământuri rare pot îmbunătăți semnificativ performanța șocului termic și durata de viață a ciclului termic al acoperirilor. De exemplu, în structura de acoperire cu dublu-strat a La2Zr2O7 și 8YSZ, materialul exterior La2Zr2O7 poate reduce semnificativ conductivitatea termică și poate crește numărul de șocuri termice și durata de oxidare termică, demonstrând avantajul sinergic al „conductivitate termică scăzută-înaltă stabilitate”.
În plus, în ultimii ani, tantalații de pământuri rare (RE2Ta2O7) și niobații de pământuri rare (RE2Nb2O7), ca materiale cu conductivitate termică ultra-scăzută și stabilitate termică excelentă, au devenit noi puncte fierbinți de cercetare. Datorită durității lor slabe, aplicarea lor ca materiale de acoperire este limitată. Cercetările actuale se concentrează în principal pe realizarea complementarității funcționale a materialelor prin structuri compozite multistrat sau structuri gradient.