Termiska barriärbeläggningar ger en "värme-isolerande rustning" på metallkomponenter.
Inom flygmotorer och gasturbiner finns det en evig strävan: högre turbininloppstemperaturer. Av denna anledning undersöker materialforskare ständigt sätt att förbättra turbinernas höga-temperaturmotstånd, och en av de mest effektiva metoderna är att ta på sig "skyddskläder"-beläggning av turbinkomponenter med beläggningar som har olika funktioner, och därigenom uppnå förbättrad serviceprestanda, större tillförlitlighet och längre livslängd.
Termiska barriärbeläggningar i en flygmotor (GP7200) och tvärsnittsmorfologin hos ett typiskt värmebarriärbeläggningssystem
För närvarande har termiska barriärbeläggningar blivit en viktig stödjande teknik för att bryta igenom servicegränserna för metallmaterial.
Termiska barriärbeläggningar (TBC) är en typ av isolerande beläggning som kombinerar strukturell prestanda och funktionella egenskaper. De har en flerskiktsstruktur som en "smörgås", som består av ett keramiskt värmeisoleringsskikt, ett metalliskt bindningsskikt och ett superlegeringssubstrat. Bland dessa är det keramiska toppskiktet det funktionella kärnskiktet i den termiska barriärbeläggningen, som direkt bär den termiska chocken, erosion och kemisk korrosion av hög-temperaturgas. Valet av material och strukturell design av detta lager bestämmer direkt värmeisoleringseffekten och livslängden för beläggningen.
Termisk barriärbeläggningsstruktur
Zirkonium-baserade material är det föredragna materialet för det keramiska skiktet av hög-temperaturbarriärbeläggningar.
Eftersom zirkonium-baserade material har utmärkt värmeisoleringsförmåga, hög-temperaturoxidationsbeständighet, hög-temperaturkorrosionsbeständighet och relativt hög hållfasthet, har de blivit det föredragna materialet för det keramiska lagret av hög-temperaturbarriärbeläggningar.
Det första steget i utvecklingen av zirkonium-baserade termiska barriärbeläggningar var den direkta användningen av zirkoniumoxid (ZrO2) som keramiskt skiktmaterial. Den snabba fasomvandlingen av ZrO2 under uppvärmning begränsar dess driftstemperatur, vilket resulterar i en relativt kort livslängd för den termiska barriärbeläggningen. Det andra steget var användningen av 6 vikt%~8 vikt% Y2O3 partiellt stabiliserade ZrO2 (YSZ) keramiska lager. Dopning med den sällsynta jordartsmetalloxiden Y2O3 ökade fasomvandlingstemperaturen för ZrO2, förbättrade hög-temperaturfasstabiliteten hos det keramiska systemet, och YSZ är fortfarande det mest använda keramiska materialet för termisk barriärbeläggning i världen.
Men när servicetemperaturerna gradvis ökar har YSZ-systemet gradvis exponerat sina begränsningar i fasstabilitet, sintringsmotstånd och termisk cyklisk utmattning. Speciellt i miljöer med hög-temperatur över 1200 grader är YSZ benägen för fasomvandling, vilket leder till strukturell sprödhet och beläggningsfel. För att lösa dessa problem har forskare börjat utforska nya keramiska materialsystem.
Zirkonium-baserade pulver: det första hindret för "värme-isolerande pansar" av termiska barriärbeläggningar.
I termisk barriärbeläggningsapplikationer uppvisar beläggningar framställda av "nanozirkoniumoxidpulver och ihåliga sfäriska zirkoniumoxidpulver" bättre prestanda än traditionella mikrostrukturerade beläggningar.
På grund av sin "unika mikrostruktur" har nanostrukturerade termiska barriärbeläggningar vanligtvis högre sintringsmotstånd och bättre töjningstolerans, vilket avsevärt förbättrar beläggningens livslängd. Ihåliga sfäriska strukturerade värmebarriärbeläggningar kan på grund av sina "porösa egenskaper" effektivt minska beläggningens värmeledningsförmåga och ge bättre värmeisolering, samtidigt som de har bättre stabilitet och andra egenskaper. Det ursprungliga zirkoniumoxidpulvrets egenskaper har en avgörande inverkan på beläggningens prestanda. Att optimera befintliga pulvertillverkningsprocesser- eller utforska fler utmärkta processer och utveckla nya typer av pulver med bättre prestanda är därför en nyckelväg för att förbättra prestandan hos termiska barriärbeläggningar och uppfylla kraven från avancerade och sofistikerade områden.
Beredningsmetoderna för pulver som används i zirkonium-baserade hög-temperaturbarriärbeläggningar inkluderar ångavsättning, smältsaltmetod, sol-gelmetod, homogen utfällningsmetod, hydrotermisk metod, mallmetod och andra. Bland dem visar den särskilt anmärkningsvärda "hydrotermiska metoden", som en kemisk beredningsmetod med stor utvecklingspotential, enastående fördelar vid framställning av rena/dopade nanozirkoniumoxidpulver. Mallmetoden kan exakt kontrollera diametern och väggtjockleken hos ihåliga sfärer genom att välja schablonmedel av olika storlekar, och är ett effektivt sätt att uppnå kontrollerbar förberedelse av ihåliga sfäriska strukturer. Spraypyrolys är mer lämpad för stor-produktion, och bildar ihåliga sfäriska strukturer i ett steg genom finfördelnings-, torknings- och pyrolysprocesserna av en prekursor-kontrollerad vätska.
Jämförelse av huvudsakliga beredningstekniker för zirkonium-baserade pulvermaterial
Vi introducerar sällsynta jordartsmetaller för att utveckla nya zirkonium-baserade termiska barriärkeramiska lager.
Å ena sidan kan förbättring av befintliga termiska barriärbeläggningsmaterial samtidigt som du dopar med flera oxider av sällsynta jordartsmetaller-ytterbiumoxid, skandiumoxid, gadoliniumoxid, ceriumoxid- ge helt olika effekter.
Å andra sidan har utvecklingen av nya zirkonium-baserade kompositpulver (som kompositsystem av zirkoniumoxid och sällsynta jordartsmetaller) också blivit en viktig forskningsinriktning.
Jämfört med YSZ uppvisar sällsynta jordartsmetaller zirkonat (RE2Zr2O7) material lägre värmeledningsförmåga, högre fasstabilitet och bättre sintringsmotstånd, vilket gör dem till kärnkandidater för nästa generation av TBC-keramiska material. Studier visar att de utmärkta egenskaperna hos zirkonater av sällsynta jordartsmetaller avsevärt kan förbättra termisk chockprestanda och termisk livslängd för beläggningar. Till exempel, i den dubbla-beläggningsstrukturen av La2Zr2O7 och 8YSZ, kan det yttre La2Zr2O7-materialet avsevärt minska värmeledningsförmågan och öka antalet termiska stötar och termisk oxidationslivslängd, vilket visar den synergistiska fördelen med "låg värmeledningsförmåga-hög stabilitet."
Dessutom har sällsynta jordartsmetalltantalater (RE2Ta2O7) och sällsynta jordartsmetallniobater (RE2Nb2O7), som material med ultra-låg värmeledningsförmåga och utmärkt värmestabilitet, blivit nya forskningshotspots på senare år. På grund av deras dåliga seghet är deras användning som beläggningsmaterial begränsad. Aktuell forskning fokuserar huvudsakligen på att uppnå funktionell komplementaritet av material genom flerskiktiga kompositstrukturer eller gradientstrukturer.