Termiske barrierebelegg gir en "varme-isolerende rustning" på metallkomponenter.
Innen flymotorer og gassturbiner er det en evig streben: høyere turbininnløpstemperaturer. Av denne grunn undersøker materialforskere hele tiden måter å forbedre den høye-temperaturmotstanden til turbiner, og en av de mest effektive metodene er å ta på "beskyttende klær"-belegge turbinkomponenter med belegg som har forskjellige funksjoner, og dermed oppnå forbedret serviceytelse, større pålitelighet og lengre levetid.
Termisk barrierebelegg i en flymotor (GP7200) og tverrsnittsmorfologien til et typisk termisk barrierebeleggsystem
For tiden har termiske barrierebelegg blitt en viktig støtteteknologi for å bryte gjennom tjenestegrensene for metallmaterialer.
Termiske barrierebelegg (TBC) er en type isolerende belegg som kombinerer strukturell ytelse og funksjonelle egenskaper. De har en flerlagsstruktur som en "sandwich", som består av et keramisk termisk isolasjonslag, et metallisk bindebelegg og et superlegeringssubstrat. Blant disse er det keramiske topplaget det funksjonelle kjernelaget i det termiske barrierebelegget, som direkte bærer termisk sjokk, erosjon og kjemisk korrosjon av høy-temperaturgass. Valget av materialer og strukturell utforming av dette laget bestemmer direkte den termiske isolasjonseffekten og levetiden til belegget.
Termisk barrierebeleggstruktur
Zirkonium-baserte materialer er det foretrukne materialet for det keramiske laget av høy-temperaturbarrierebelegg.
Fordi zirkonium-baserte materialer har utmerket termisk isolasjonsytelse, høy-temperaturoksidasjonsmotstand, høy-temperaturkorrosjonsmotstand og relativt høy styrke, har de blitt det foretrukne materialet for det keramiske laget av høy-temperaturbarrierebelegg.
Det første trinnet i utviklingen av zirkonium-baserte termiske barrierebelegg var direkte bruk av zirkoniumoksid (ZrO2) som keramisk lagmateriale. Den raske fasetransformasjonen av ZrO2 under oppvarming begrenser brukstemperaturen, noe som resulterer i en relativt kort levetid for det termiske barrierebelegget. Det andre trinnet var bruken av 6 vekt%~8 vekt% Y2O3 delvis stabiliserte ZrO2 (YSZ) keramiske lag. Doping med det sjeldne jordartsmetalloksidet Y2O3 økte fasetransformasjonstemperaturen til ZrO2, forbedret den høye-temperaturfasestabiliteten til det keramiske systemet, og YSZ er fortsatt det mest brukte keramiske materialet for termisk barrierebelegg over hele verden.
Etter hvert som tjenestetemperaturene gradvis øker, har imidlertid YSZ-systemet gradvis eksponert sine begrensninger i fasestabilitet, sintringsmotstand og termisk tretthetsytelse. Spesielt i miljøer med høye-temperaturer over 1200 grader er YSZ utsatt for fasetransformasjon, noe som fører til strukturell sprøhet og beleggsvikt. For å løse disse problemene har forskere begynt å utforske nye keramiske materialsystemer.
Zirkonium-baserte pulvere: det første hinderet for den "varme-isolerende rustningen" til termiske barrierebelegg.
I termiske barrierebeleggsapplikasjoner viser belegg fremstilt fra "nano zirkoniumoksidpulver og hule sfæriske zirkoniumoksidpulvere" mer utmerket ytelse enn tradisjonelle mikrostrukturerte belegg.
På grunn av deres "unike mikrostruktur" har nanostrukturerte termiske barrierebelegg vanligvis høyere sintringsmotstand og bedre strekktoleranse, og forbedrer dermed beleggets levetid betydelig. Hule sfæriske strukturerte termiske barrierebelegg, på grunn av deres "porøse egenskaper", kan effektivt redusere den termiske ledningsevnen til belegget og gi bedre termisk isolasjon, samtidig som de har bedre stabilitet og andre egenskaper. Egenskapene til det opprinnelige zirkoniumoksidpulveret har en avgjørende innflytelse på belegningsytelsen. Derfor er optimalisering av eksisterende pulver-fremstillingsprosesser eller utforsking av flere utmerkede prosesser, og utvikling av nye typer pulver med bedre ytelse, en nøkkelvei for å forbedre ytelsen til termiske barrierebelegg og møte kravene til avanserte og sofistikerte felt.
Fremstillingsmetodene for pulver som brukes i zirkonium-baserte termiske barrierebelegg med høy-temperatur inkluderer dampavsetning, smeltet saltmetode, sol-gelmetode, homogen utfellingsmetode, hydrotermisk metode, malmetode og andre. Blant dem viser den spesielt bemerkelsesverdige "hydrotermiske metoden", som en kjemisk fremstillingsmetode med stort utviklingspotensial, enestående fordeler ved fremstilling av rent/dopet nanozirkoniumoksidpulver. Malmetoden kan nøyaktig kontrollere diameteren og veggtykkelsen til hule kuler ved å velge malemidler av forskjellige størrelser, og er et effektivt middel for å oppnå kontrollerbar preparering av hule sfæriske strukturer. Spraypyrolyse er mer egnet for stor-produksjon, og danner hule sfæriske strukturer i ett trinn gjennom forstøvnings-, tørke- og pyrolyseprosessene til en forløper-kontrollert væske.
Sammenligning av hovedfremstillingsteknologier for zirkonium-baserte pulvermaterialer
Vi introduserer sjeldne jordarter for å utvikle nye zirkonium-baserte termiske barriere keramiske lag.
På den ene siden kan det å forbedre eksisterende termiske barrierebeleggmaterialer og samtidig doping med flere sjeldne jordartsoksider-ytterbiumoksid, skandiumoksid, gadoliniumoksid, ceriumoksid- gi helt forskjellige effekter.
På den annen side har utvikling av nye zirkonium-baserte komposittpulvere (som komposittsystemer av zirkoniumoksid og sjeldne jordarters salter) også blitt en viktig forskningsretning.
Sammenlignet med YSZ, viser sjeldne jordarters zirkonat (RE2Zr2O7)-materialer lavere termisk ledningsevne, høyere fasestabilitet og bedre sintringsmotstand, noe som gjør dem til kjernekandidater for neste generasjon av TBC-keramiske materialer. Studier viser at de utmerkede egenskapene til zirkonater av sjeldne jordarter kan forbedre den termiske sjokkytelsen og den termiske sykluslevetiden til belegg betydelig. For eksempel, i den dobbelte-beleggsstrukturen til La2Zr2O7 og 8YSZ, kan det ytre La2Zr2O7-materialet redusere termisk ledningsevne betydelig og øke antallet termiske sjokk og termisk oksidasjonslevetid, noe som viser den synergistiske fordelen med "lav termisk ledningsevne-høy stabilitet."
I tillegg har sjeldne jordart tantalater (RE2Ta2O7) og sjeldne jordarter niobater (RE2Nb2O7), som materialer med ultra-lav termisk ledningsevne og utmerket termisk stabilitet, blitt nye forskningshotspots. På grunn av deres dårlige seighet er deres anvendelse som beleggmaterialer begrenset. Nåværende forskning fokuserer hovedsakelig på å oppnå funksjonell komplementaritet av materialer gjennom flerlags komposittstrukturer eller gradientstrukturer.