Теплозахисні покриття створюють «тепло{0}}ізоляційну броню» на металевих компонентах.
У галузі авіаційних двигунів і газових турбін існує вічна гонитва: підвищення температури на вході в турбіну. З цієї причини вчені-матеріали постійно досліджують шляхи покращення стійкості турбін до високих{1}}температур, і одним із найефективніших методів є надягання «захисного одягу»-покриття компонентів турбіни різними функціями, завдяки чому досягається покращена експлуатаційна продуктивність, більша надійність і довший термін служби.
Теплозахисні покриття в авіаційному двигуні (GP7200) і морфологія поперечного-перерізу типової системи теплозахисного покриття
В даний час теплоізоляційні покриття стали ключовою допоміжною технологією для подолання меж експлуатації металевих матеріалів.
Теплоізоляційні покриття (ТБК) — це різновид ізоляційного покриття, яке поєднує в собі структурні та функціональні характеристики. Вони мають багатошарову структуру типу «сендвіча», що складається з керамічного теплоізоляційного шару, металевого зв’язувального покриття та підкладки зі суперсплаву. Серед них керамічний верхній шар є основним функціональним шаром теплового бар’єрного покриття, яке безпосередньо зазнає термічного удару, ерозії та хімічної корозії високо{2}}температурного газу. Вибір матеріалів і структурне оформлення цього шару безпосередньо визначають теплоізоляційний ефект і термін служби покриття.
Теплозахисна структура покриття
Матеріали на основі-цирконію є кращим матеріалом для керамічного шару високо{1}}температурних теплозахисних покриттів.
Оскільки матеріали на основі-цирконію мають чудові теплоізоляційні характеристики, стійкість до-високотемпературного окислення, стійкість до-високої{2}}температурної корозії та відносно високу міцність, вони стали кращим матеріалом для керамічного шару високо{3}}температурних термозахисних покриттів.
Першим етапом розробки теплозахисних покриттів на основі -цирконію було пряме використання оксиду цирконію (ZrO2) як матеріалу керамічного шару. Швидке фазове перетворення ZrO2 під час нагрівання обмежує його робочу температуру, що призводить до відносно короткого терміну служби термозахисного покриття. Другий етап полягав у використанні 6 мас.%~8 мас.% Y2O3 частково стабілізованих ZrO2 (YSZ) керамічних шарів. Допування рідкісноземельним оксидом Y2O3 підвищило температуру фазового перетворення ZrO2, покращило високо{14}}фазову стабільність керамічної системи, і YSZ досі залишається найпоширенішим термічним бар’єрним покриттям керамічного матеріалу в усьому світі.
Однак у міру того, як робочі температури поступово підвищуються, система YSZ поступово виявляє свої обмеження у фазовій стабільності, стійкості до спікання та втомних характеристиках від термоциклічної зміни. Особливо в умовах високої -температури понад 1200 градусів YSZ схильний до фазових перетворень, що призводить до структурної крихкості та руйнування покриття. Щоб вирішити ці проблеми, дослідники почали досліджувати нові системи керамічних матеріалів.
Порошки на основі-цирконію: перша перешкода для «тепло{1}}ізоляційної броні» теплозахисних покриттів.
У застосуванні термобар’єрних покриттів покриття, виготовлені з «нанопорошків оксиду цирконію та порожнистих сферичних порошків оксиду цирконію», демонструють кращі характеристики, ніж традиційні мікроструктуровані покриття.
Завдяки своїй «унікальній мікроструктурі» наноструктуровані теплоізоляційні покриття зазвичай мають вищу стійкість до спікання та кращу стійкість до деформацій, що значно подовжує термін служби покриття. Порожнисті сферичні структуровані теплозахисні покриття завдяки своїм «пористим характеристикам» можуть ефективно зменшити теплопровідність покриття та забезпечити кращу теплоізоляцію, а також мають кращу стабільність та інші характеристики. Характеристики вихідного порошку оксиду цирконію мають вирішальний вплив на характеристики покриття. Таким чином, оптимізація існуючих процесів-виробництва порошку або дослідження кращих, а також розробка нових типів порошку з кращими характеристиками є ключовим шляхом до покращення характеристик термозахисних покриттів і задоволення вимог передових і складних галузей.
Методи приготування порошків, які використовуються у -цирконієвих-температурних теплозахисних покриттях, включають осадження з парової фази, метод розплавленої солі, золь-гель-метод, метод гомогенного осадження, гідротермальний метод, метод шаблону та інші. Серед них особливо варто відзначити «гідротермальний метод», як метод хімічного приготування з великим потенціалом розвитку, який демонструє видатні переваги у виготовленні чистих/легованих нанопорошків оксиду цирконію. Шаблонний метод може точно контролювати діаметр і товщину стінок порожнистих сфер шляхом вибору темплатних агентів різних розмірів і є ефективним засобом досягнення контрольованої підготовки порожнистих сферичних структур. Розпилювальний піроліз більше підходить для великомасштабного-виробництва, утворюючи порожнисті сферичні структури за один етап шляхом розпилення, сушіння та піролізу контрольованої рідини-попередника.
Порівняння основних технологій приготування порошкових матеріалів на основі-цирконію
Представлення рідкісноземельних елементів для розробки нових термобар’єрних керамічних шарів-на основі цирконію.
З одного боку, удосконалення існуючих термобар’єрних матеріалів покриття з одночасним легуванням кількома рідкоземельними оксидами-оксидом ітербію, оксидом скандію, оксидом гадолінію, оксидом церію-може призвести до зовсім інших ефектів.
З іншого боку, розробка нових композитних порошків-на основі цирконію (таких як композитні системи оксиду цирконію та рідкоземельних солей) також стала важливим напрямком досліджень.
У порівнянні з YSZ рідкоземельні цирконатні (RE2Zr2O7) матеріали демонструють нижчу теплопровідність, вищу фазову стабільність і кращу стійкість до спікання, що робить їх основними кандидатами для наступного покоління керамічних матеріалів TBC. Дослідження показують, що чудові властивості рідкоземельних цирконатів можуть значно підвищити стійкість до термічного удару та термін служби покриттів при термічних циклах. Наприклад, у структурі подвійного -покриття La2Zr2O7 і 8YSZ зовнішній матеріал La2Zr2O7 може значно зменшити теплопровідність і збільшити кількість теплових ударів і термін служби термічного окислення, демонструючи синергетичну перевагу «низької теплопровідності-високої стабільності».
Крім того, в останні роки рідкоземельні танталати (RE2Ta2O7) і рідкоземельні ніобати (RE2Nb2O7), як матеріали з ультра-теплопровідністю та чудовою термічною стабільністю, стали новими гарячими точками досліджень. Через низьку в'язкість їх застосування як матеріалів для покриття обмежене. Сучасні дослідження в основному зосереджені на досягненні функціональної комплементарності матеріалів за допомогою багатошарових композитних структур або градієнтних структур.