Termiske barrierebelægninger sætter en "varme-isolerende rustning" på metalkomponenter.
Inden for aeromotorer og gasturbiner er der en evig jagt: højere turbineindløbstemperaturer. Af denne grund udforsker materialeforskere konstant måder at forbedre turbinernes høje-temperaturmodstandsdygtighed, og en af de mest effektive metoder er at tage "beskyttende beklædning" på-belægning af turbinekomponenter med belægninger, der har forskellige funktioner, og derved opnå forbedret serviceydelse, større pålidelighed og længere levetid.
Termiske barrierebelægninger i en flymotor (GP7200) og tværsnitsmorfologien af et typisk termisk barrierebelægningssystem
På nuværende tidspunkt er termiske barrierebelægninger blevet en vigtig understøttende teknologi til at bryde gennem servicegrænserne for metalmaterialer.
Termiske barrierebelægninger (TBC'er) er en type isolerende belægning, der kombinerer strukturel ydeevne og funktionelle egenskaber. De har en flerlagsstruktur som en "sandwich", der består af et keramisk termisk isoleringslag, en metallisk bindingscoating og et superlegeringssubstrat. Blandt disse er det keramiske toplag det funktionelle kernelag i den termiske barrierebelægning, der direkte bærer det termiske chok, erosion og kemiske korrosion af høj-temperaturgas. Valget af materialer og det strukturelle design af dette lag bestemmer direkte den termiske isoleringseffekt og levetiden af belægningen.
Termisk barrierebelægningsstruktur
Zirkonium-baserede materialer er det foretrukne materiale til det keramiske lag af høj-temperatur termisk barrierebelægninger.
Fordi zirconium-baserede materialer har fremragende termisk isoleringsevne, høj-temperaturoxidationsbestandighed, høj-temperaturkorrosionsbestandighed og relativt høj styrke, er de blevet det foretrukne materiale til det keramiske lag af høj-temperatur termisk barrierebelægninger.
Det første trin i udviklingen af zirconium-baserede termiske barrierebelægninger var den direkte brug af zirconiumoxid (ZrO2) som det keramiske lagmateriale. Den hurtige fasetransformation af ZrO2 under opvarmning begrænser dens driftstemperatur, hvilket resulterer i en relativt kort levetid for den termiske barrierebelægning. Det andet trin var brugen af 6 vægt%~8 vægt% Y2O3 delvist stabiliserede ZrO2 (YSZ) keramiske lag. Doping med det sjældne jordarters oxid Y2O3 øgede fasetransformationstemperaturen for ZrO2, forbedrede høj-temperaturfasestabiliteten af det keramiske system, og YSZ er stadig det mest udbredte keramiske materiale med termisk barrierebelægning på verdensplan.
Men efterhånden som driftstemperaturerne gradvist stiger, har YSZ-systemet gradvist afsløret sine begrænsninger i fasestabilitet, sintringsmodstand og ydeevne ved termisk cyklustræthed. Især i miljøer med høj-temperatur over 1200 grader er YSZ tilbøjelig til fasetransformation, hvilket fører til strukturel skørhed og belægningsfejl. For at løse disse problemer er forskere begyndt at udforske nye keramiske materialesystemer.
Zirkonium-baserede pulvere: den første hindring for den "varme-isolerende panser" af termiske barrierebelægninger.
I termiske barrierebelægningsapplikationer udviser belægninger fremstillet af "nano-zirconiumoxidpulvere og hule sfæriske zirconiumoxidpulvere" mere fremragende ydeevne end traditionelle mikrostrukturerede belægninger.
På grund af deres "unikke mikrostruktur" har nanostrukturerede termiske barrierebelægninger sædvanligvis højere sintringsmodstand og bedre belastningstolerance, hvilket forbedrer belægningens levetid betydeligt. Hule sfæriske strukturerede termiske barrierebelægninger kan på grund af deres "porøse egenskaber" effektivt reducere belægningens termiske ledningsevne og give bedre termisk isolering, samtidig med at de har bedre stabilitet og andre egenskaber. Det oprindelige zirconiumoxidpulvers egenskaber har en afgørende indflydelse på belægningens ydeevne. Derfor er optimering af eksisterende pulver-fremstillingsprocesser eller udforskning af flere fremragende processer og udvikling af nye typer pulver med bedre ydeevne en nøglevej til at forbedre ydeevnen af termiske barrierebelægninger og opfylde kravene i avancerede og sofistikerede områder.
Fremstillingsmetoderne til pulvere, der anvendes i zirconium-baserede høj-temperatur-termiske barrierebelægninger omfatter dampaflejring, smeltet saltmetode, sol-gelmetode, homogen udfældningsmetode, hydrotermisk metode, skabelonmetode og andre. Blandt dem viser den særligt bemærkelsesværdige "hydrotermiske metode", som en kemisk fremstillingsmetode med stort udviklingspotentiale, enestående fordele ved fremstilling af rent/doteret nanozirconiumoxidpulver. Skabelonmetoden kan præcist styre diameteren og vægtykkelsen af hule kugler ved at vælge skabelonmidler af forskellige størrelser og er et effektivt middel til at opnå kontrollerbar fremstilling af hule kugleformede strukturer. Spraypyrolyse er mere velegnet til produktion i stor-skala, idet den danner hule sfæriske strukturer i ét trin gennem forstøvnings-, tørrings- og pyrolyseprocesserne af en precursor-kontrolleret væske.
Sammenligning af vigtigste præparationsteknologier til zirconium-baserede pulvermaterialer
Introduktion af sjældne jordarter for at udvikle nye zirconium-baserede termiske barriere keramiske lag.
På den ene side kan forbedring af eksisterende termiske barrierebelægningsmaterialer og samtidig doping med flere sjældne jordarters oxider-ytterbiumoxid, scandiumoxid, gadoliniumoxid, ceriumoxid- give helt forskellige effekter.
På den anden side er udvikling af nye zirconium-baserede kompositpulvere (såsom kompositsystemer af zirconiumoxid og sjældne jordarters salte) også blevet en vigtig forskningsretning.
Sammenlignet med YSZ udviser sjældne jordarters zirkonatmaterialer (RE2Zr2O7) lavere termisk ledningsevne, højere fasestabilitet og bedre sintringsmodstand, hvilket gør dem til kernekandidater til den næste generation af TBC-keramiske materialer. Undersøgelser viser, at de fremragende egenskaber af sjældne jordarters zirkonater betydeligt kan forbedre belægningernes termiske chokydelse og termiske cykluslevetid. For eksempel kan det ydre La2Zr2O7-materiale i La2Zr2O7- og 8YSZ-belægningsstrukturen med dobbelt-lag reducere den termiske ledningsevne betydeligt og øge antallet af termiske stød og termisk oxidationslevetid, hvilket viser den synergistiske fordel ved "lav termisk ledningsevne-høj stabilitet."
Derudover er sjældne jordarters tantalater (RE2Ta2O7) og sjældne jordarters niobater (RE2Nb2O7), som materialer med ultra-lav termisk ledningsevne og fremragende termisk stabilitet, blevet nye forskningshotspots. På grund af deres dårlige sejhed er deres anvendelse som belægningsmaterialer begrænset. Nuværende forskning fokuserer hovedsageligt på at opnå funktionel komplementaritet af materialer gennem flerlags kompositstrukturer eller gradientstrukturer.