Οι επιστρώσεις θερμικού φραγμού τοποθετούν μια «θερμομονωτική-θωράκιση» σε μεταλλικά εξαρτήματα.
Στους τομείς των αεροκινητήρων και των αεριοστροβίλων, υπάρχει μια αιώνια επιδίωξη: υψηλότερες θερμοκρασίες εισόδου στροβίλου. Για αυτόν τον λόγο, οι επιστήμονες υλικών διερευνούν συνεχώς τρόπους για να βελτιώσουν την αντίσταση των στροβίλων σε υψηλές-θερμοκρασίες και μία από τις πιο αποτελεσματικές μεθόδους είναι να φορούν "προστατευτικό ρουχισμό"-επικάλυψη εξαρτημάτων στροβίλου με επιστρώσεις που έχουν διαφορετικές λειτουργίες, επιτυγχάνοντας έτσι βελτιωμένη απόδοση εξυπηρέτησης, μεγαλύτερη αξιοπιστία και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.
Επιστρώσεις θερμικού φραγμού σε αεροκινητήρα (GP7200) και η μορφολογία διατομής ενός τυπικού συστήματος επίστρωσης θερμικού φραγμού
Επί του παρόντος, οι επιστρώσεις θερμικού φραγμού έχουν γίνει βασική τεχνολογία υποστήριξης για την υπέρβαση των ορίων εξυπηρέτησης των μεταλλικών υλικών.
Οι επικαλύψεις θερμικού φραγμού (TBC) είναι ένας τύπος μονωτικής επίστρωσης που συνδυάζει δομική απόδοση και λειτουργικά χαρακτηριστικά. Έχουν μια πολυστρωματική δομή όπως ένα "σάντουιτς", που αποτελείται από ένα κεραμικό θερμομονωτικό στρώμα, μια μεταλλική επίστρωση και ένα υπόστρωμα υπερκράματος. Μεταξύ αυτών, το κεραμικό επάνω στρώμα είναι το λειτουργικό στρώμα του πυρήνα της επίστρωσης θερμικού φραγμού, που φέρει άμεσα το θερμικό σοκ, τη διάβρωση και τη χημική διάβρωση του αερίου υψηλής- θερμοκρασίας. Η επιλογή των υλικών και ο δομικός σχεδιασμός αυτού του στρώματος καθορίζουν άμεσα τη θερμομονωτική επίδραση και τη διάρκεια ζωής της επίστρωσης.
Δομή επίστρωσης θερμικού φραγμού
Τα υλικά με βάση το ζιρκόνιο-είναι το προτιμώμενο υλικό για την κεραμική στρώση των επιστρώσεων θερμικού φραγμού υψηλής{1} θερμοκρασίας.
Επειδή τα υλικά με βάση το ζιρκόνιο-έχουν εξαιρετική απόδοση θερμομόνωσης, υψηλή-αντοχή στην οξείδωση σε υψηλές-θερμοκρασίες, αντοχή στη διάβρωση σε υψηλή-θερμοκρασία και σχετικά υψηλή αντοχή, έχουν γίνει το προτιμώμενο υλικό για το κεραμικό στρώμα των επιστρώσεων θερμικού φραγμού υψηλής-θερμοκρασίας.
Το πρώτο στάδιο στην ανάπτυξη των επιστρώσεων θερμικού φραγμού με βάση το ζιρκόνιο- ήταν η άμεση χρήση του οξειδίου του ζιρκονίου (ZrO2) ως υλικό κεραμικής στρώσης. Ο γρήγορος μετασχηματισμός φάσης του ZrO2 κατά τη θέρμανση περιορίζει τη θερμοκρασία λειτουργίας του, με αποτέλεσμα μια σχετικά μικρή διάρκεια ζωής για την επίστρωση θερμικού φραγμού. Το δεύτερο στάδιο ήταν η χρήση 6 wt%~8 wt% Y2O3 μερικώς σταθεροποιημένων κεραμικών στρωμάτων ZrO2 (YSZ). Το ντόπινγκ με το οξείδιο σπάνιων γαιών Y2O3 αύξησε τη θερμοκρασία μετασχηματισμού φάσης του ZrO2, βελτίωσε τη σταθερότητα φάσης υψηλής θερμοκρασίας του κεραμικού συστήματος και το YSZ εξακολουθεί να είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο κεραμικό υλικό επικάλυψης θερμικού φραγμού παγκοσμίως.
Ωστόσο, καθώς οι θερμοκρασίες συντήρησης αυξάνονται σταδιακά, το σύστημα YSZ έχει αποκαλύψει σταδιακά τους περιορισμούς του στη σταθερότητα φάσης, την αντίσταση πυροσυσσωμάτωσης και την απόδοση κόπωσης θερμικού κύκλου. Ειδικά σε περιβάλλοντα υψηλής- θερμοκρασίας άνω των 1200 βαθμών, το YSZ είναι επιρρεπές σε μετασχηματισμό φάσης, οδηγώντας σε δομική ευθραυστότητα και αστοχία επίστρωσης. Για την επίλυση αυτών των προβλημάτων, οι ερευνητές έχουν αρχίσει να εξερευνούν νέα συστήματα κεραμικών υλικών.
Σκόνες με βάση το ζιρκόνιο-: το πρώτο εμπόδιο για τη "θερμική-μονωτική θωράκιση" των επιστρώσεων θερμικού φραγμού.
Σε εφαρμογές επίστρωσης με θερμικό φράγμα, οι επικαλύψεις που παρασκευάζονται από "σκόνες νανοξειδίου του ζιρκονίου και κοίλες σφαιρικές σκόνες οξειδίου του ζιρκονίου" παρουσιάζουν εξαιρετική απόδοση από τις παραδοσιακές μικροδομημένες επικαλύψεις.
Λόγω της «μοναδικής μικροδομής» τους, οι νανοδομημένες επικαλύψεις θερμικού φραγμού έχουν συνήθως υψηλότερη αντίσταση πυροσυσσωμάτωσης και καλύτερη ανοχή στην παραμόρφωση, βελτιώνοντας έτσι σημαντικά τη διάρκεια ζωής της επίστρωσης. Οι κοίλες σφαιρικές δομημένες επικαλύψεις θερμικού φραγμού, λόγω των "πορωδών χαρακτηριστικών" τους, μπορούν να μειώσουν αποτελεσματικά τη θερμική αγωγιμότητα της επίστρωσης και να παρέχουν καλύτερη θερμομόνωση, ενώ έχουν επίσης καλύτερη σταθερότητα και άλλα χαρακτηριστικά. Τα χαρακτηριστικά της αρχικής σκόνης οξειδίου του ζιρκονίου έχουν καθοριστική επίδραση στην απόδοση της επίστρωσης. Ως εκ τούτου, η βελτιστοποίηση των υφιστάμενων διαδικασιών κατασκευής σκόνης- ή η εξερεύνηση πιο εξαιρετικών διαδικασιών και η ανάπτυξη νέων τύπων σκόνης με καλύτερη απόδοση, είναι ένας βασικός δρόμος για τη βελτίωση της απόδοσης των επιστρώσεων θερμικού φραγμού και την κάλυψη των απαιτήσεων προηγμένων και εξελιγμένων πεδίων.
Οι μέθοδοι παρασκευής για σκόνες που χρησιμοποιούνται σε επικαλύψεις θερμικού φραγμού με βάση το ζιρκόνιο-υψηλής-θερμοκρασίας περιλαμβάνουν εναπόθεση ατμών, μέθοδο λιωμένου άλατος, μέθοδο sol-gel, μέθοδο ομοιογενούς καθίζησης, υδροθερμική μέθοδο, μέθοδο προτύπου και άλλες. Μεταξύ αυτών, η ιδιαίτερα αξιοσημείωτη «υδροθερμική μέθοδος», ως μέθοδος χημικής παρασκευής με μεγάλες δυνατότητες εξέλιξης, παρουσιάζει εξαιρετικά πλεονεκτήματα στην παρασκευή σκονών καθαρού/επεξεργασμένου νανοξειδίου του ζιρκονίου. Η μέθοδος προτύπου μπορεί να ελέγχει με ακρίβεια τη διάμετρο και το πάχος του τοιχώματος των κοίλων σφαιρών επιλέγοντας παράγοντες μήτρας διαφορετικών μεγεθών και είναι ένα αποτελεσματικό μέσο για την επίτευξη ελεγχόμενης προετοιμασίας κοίλων σφαιρικών δομών. Η πυρόλυση με σπρέι είναι πιο κατάλληλη για-παραγωγή μεγάλης κλίμακας, σχηματίζοντας κοίλες σφαιρικές δομές σε ένα βήμα μέσω των διαδικασιών ψεκασμού, ξήρανσης και πυρόλυσης ενός ελεγχόμενου υγρού με πρόδρομο-.
Σύγκριση των κύριων τεχνολογιών παρασκευής υλικών σε σκόνη με βάση το ζιρκόνιο-
Εισαγωγή σπάνιων γαιών για την ανάπτυξη νέων κεραμικών στρωμάτων θερμικού φραγμού με βάση το ζιρκόνιο-.
Αφενός, η βελτίωση των υφιστάμενων υλικών επικάλυψης θερμικού φραγμού ενώ ταυτόχρονα γίνεται ντόπινγκ με πολλαπλά οξείδια σπάνιων γαιών-οξείδιο υττερβίου, οξείδιο σκανδίου, οξείδιο του γαδολινίου, οξείδιο δημητρίου-μπορεί να παράγει εντελώς διαφορετικά αποτελέσματα.
Από την άλλη πλευρά, η ανάπτυξη νέων σύνθετων σκονών με βάση το ζιρκόνιο- (όπως σύνθετα συστήματα οξειδίου του ζιρκονίου και αλάτων σπανίων γαιών) έχει επίσης γίνει μια σημαντική ερευνητική κατεύθυνση.
Σε σύγκριση με το YSZ, τα υλικά ζιρκονικής σπάνιας γαίας (RE2Zr2O7) παρουσιάζουν χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα, υψηλότερη σταθερότητα φάσης και καλύτερη αντίσταση πυροσυσσωμάτωσης, καθιστώντας τα υποψήφια πυρήνα για την επόμενη γενιά κεραμικών υλικών TBC. Μελέτες δείχνουν ότι οι εξαιρετικές ιδιότητες των ζιρκονικών αλάτων σπάνιων γαιών μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την απόδοση θερμικού σοκ και τη διάρκεια ζωής του θερμικού κύκλου των επιστρώσεων. Για παράδειγμα, στη δομή επικάλυψης διπλού-στρώματος των La2Zr2O7 και 8YSZ, το εξωτερικό υλικό La2Zr2O7 μπορεί να μειώσει σημαντικά τη θερμική αγωγιμότητα και να αυξήσει τον αριθμό των θερμικών κραδασμών και τη διάρκεια ζωής της θερμικής οξείδωσης, αποδεικνύοντας το συνεργιστικό πλεονέκτημα της "χαμηλής θερμικής αγωγιμότητας{{13}υψηλής σταθερότητας".
Επιπλέον, τα τελευταία χρόνια, τα τανταλικά σπάνιων γαιών (RE2Ta2O7) και τα νιοβάτα σπάνιων γαιών (RE2Nb2O7), ως υλικά με εξαιρετικά-χαμηλή θερμική αγωγιμότητα και εξαιρετική θερμική σταθερότητα, έχουν γίνει νέα ερευνητικά hotspot. Λόγω της κακής σκληρότητάς τους, η εφαρμογή τους ως υλικά επίστρωσης είναι περιορισμένη. Η τρέχουσα έρευνα επικεντρώνεται κυρίως στην επίτευξη λειτουργικής συμπληρωματικότητας των υλικών μέσω πολυστρωματικών σύνθετων δομών ή δομών κλίσης.