Termobarjeras pārklājumi uzliek metāla detaļām "siltumu{0}}izolējošas bruņas".
Aviācijas dzinēju un gāzes turbīnu jomā pastāv mūžīga tiekšanās: augstāka turbīnas ieplūdes temperatūra. Šī iemesla dēļ materiālu zinātnieki nepārtraukti pēta veidus, kā uzlabot turbīnu izturību pret augstu temperatūru, un viena no efektīvākajām metodēm ir "aizsargtērpa"-pārklāšana turbīnu komponentiem ar pārklājumiem, kuriem ir dažādas funkcijas, tādējādi panākot uzlabotu ekspluatācijas veiktspēju, lielāku uzticamību un ilgāku kalpošanas laiku.
Termobarjeras pārklājumi aviācijas dzinējā (GP7200) un tipiskas termiskās barjeras pārklājuma sistēmas šķērsgriezuma morfoloģija
Pašlaik termiskās barjeras pārklājumi ir kļuvuši par galveno atbalsta tehnoloģiju, lai pārkāptu metāla materiālu lietošanas ierobežojumus.
Siltuma barjeras pārklājumi (TBC) ir izolācijas pārklājuma veids, kas apvieno struktūras veiktspēju un funkcionālās īpašības. Tiem ir daudzslāņu struktūra, piemēram, "sviestmaize", kas sastāv no keramikas siltumizolācijas slāņa, metāla savienojuma pārklājuma un supersakausējuma substrāta. Tostarp keramiskais augšējais slānis ir termiskās barjeras pārklājuma galvenais funkcionālais slānis, kas tieši iztur augstas temperatūras gāzes termisko triecienu, eroziju un ķīmisko koroziju. Materiālu izvēle un šī slāņa konstrukcijas dizains tieši nosaka pārklājuma siltumizolācijas efektu un kalpošanas laiku.
Siltuma barjeras pārklājuma struktūra
Materiāli, kuru pamatā ir cirkonijs{0}}, ir ieteicamais materiāls keramiskajam slānim augstas temperatūras{1}}termiskās barjeras pārklājumos.
Tā kā cirkonija{0}}materiāliem ir lieliska siltumizolācijas veiktspēja, augsta -temperatūras oksidācijas izturība, augsta-temperatūras izturība pret koroziju un salīdzinoši augsta izturība, tie ir kļuvuši par vēlamo materiālu augstas temperatūras termobarjeras pārklājumu keramikas slānim.
Pirmais cirkonija -termiskās barjeras pārklājumu izstrādes posms bija cirkonija oksīda (ZrO2) tieša izmantošana kā keramikas slāņa materiāls. ZrO2 straujā fāzes transformācija karsēšanas laikā ierobežo tā ekspluatācijas temperatūru, kā rezultātā siltumizolācijas pārklājuma kalpošanas laiks ir salīdzinoši īss. Otrajā posmā tika izmantoti 6 masas% ~ 8 masas% Y2O3 daļēji stabilizēti ZrO2 (YSZ) keramikas slāņi. Dopings ar retzemju oksīdu Y2O3 paaugstināja ZrO2 fāzes transformācijas temperatūru, uzlaboja keramikas sistēmas augstas temperatūras fāzes stabilitāti, un YSZ joprojām ir pasaulē visplašāk izmantotais termobarjeras pārklājuma keramikas materiāls.
Tomēr, pakāpeniski paaugstinoties ekspluatācijas temperatūrai, YSZ sistēma ir pakāpeniski atklājusi savus ierobežojumus attiecībā uz fāzes stabilitāti, pretestību saķepināšanai un termiskā cikla noguruma veiktspēju. Īpaši augstas -temperatūras vidēs virs 1200 grādiem YSZ ir pakļauta fāzes transformācijai, kas izraisa struktūras trauslumu un pārklājuma bojājumus. Lai atrisinātu šīs problēmas, pētnieki ir sākuši izpētīt jaunas keramikas materiālu sistēmas.
Cirkonija-pulveri: pirmais šķērslis siltuma barjeras pārklājumu "siltumu-izolējošajām bruņām".
Termobarjeras pārklājumu lietojumos pārklājumiem, kas izgatavoti no "nano cirkonija oksīda pulveriem un dobiem sfēriskiem cirkonija oksīda pulveriem", ir izcilāka veiktspēja nekā tradicionālajiem mikrostrukturētajiem pārklājumiem.
Pateicoties to "unikālajai mikrostruktūrai", nanostrukturētajiem termiskās barjeras pārklājumiem parasti ir augstāka pretestība saķepināšanai un labāka deformācijas tolerance, tādējādi ievērojami uzlabojot pārklājuma kalpošanas laiku. Dobi sfēriski strukturēti termobarjeras pārklājumi to "poraino īpašību" dēļ var efektīvi samazināt pārklājuma siltumvadītspēju un nodrošināt labāku siltumizolāciju, vienlaikus nodrošinot labāku stabilitāti un citas īpašības. Sākotnējā cirkonija oksīda pulvera īpašībām ir izšķiroša ietekme uz pārklājuma veiktspēju. Tāpēc esošo pulvera ražošanas procesu optimizēšana-vai izcilāku procesu izpēte un jaunu pulveru veidu izstrāde ar labāku veiktspēju ir galvenais veids, kā uzlabot termiskās barjeras pārklājumu veiktspēju un nodrošināt atbilstību progresīvām un sarežģītām jomām.
Pulveru sagatavošanas metodes, ko izmanto cirkonija{0}}augstas temperatūras-termiskās barjeras pārklājumos, ietver tvaiku pārklāšanu, kausētā sāls metodi, sol-gēla metodi, homogēnās nogulsnēšanas metodi, hidrotermisko metodi, šablonu metodi un citas. Tostarp īpaši ievērojamā "hidrotermālā metode" kā ķīmiskās sagatavošanas metode ar lielu attīstības potenciālu uzrāda izcilas priekšrocības tīru/leģētu nano cirkonija oksīda pulveru sagatavošanā. Šablonu metode var precīzi kontrolēt dobu sfēru diametru un sieniņu biezumu, izvēloties dažāda izmēra šablonus, un tā ir efektīvs līdzeklis, lai panāktu vadāmu dobu sfērisku konstrukciju sagatavošanu. Izsmidzināšanas pirolīze ir vairāk piemērota liela mēroga ražošanai, veidojot dobas sfēriskas struktūras vienā posmā, izmantojot prekursoru kontrolēta šķidruma izsmidzināšanas, žāvēšanas un pirolīzes procesus.
Galveno cirkonija{0}}pulvera materiālu sagatavošanas tehnoloģiju salīdzinājums
Iepazīstinām ar retzemju metāliem, lai izstrādātu jaunus cirkonija{0}}termiskās barjeras keramikas slāņus.
No vienas puses, esošo termiskās barjeras pārklājuma materiālu uzlabošana, vienlaikus dopingējot ar vairākiem retzemju oksīdiem -iterbija oksīds, skandija oksīds, gadolīnija oksīds, cērija oksīds-, var radīt pilnīgi atšķirīgus efektus.
No otras puses, jaunu cirkonija{0}}kompozītmateriālu pulveru (piemēram, cirkonija oksīda un retzemju sāļu kompozītu sistēmu) izstrāde arī ir kļuvusi par nozīmīgu pētniecības virzienu.
Salīdzinot ar YSZ, retzemju cirkonāta (RE2Zr2O7) materiāliem ir zemāka siltumvadītspēja, augstāka fāzes stabilitāte un labāka pretestība saķepināšanai, padarot tos par galvenajiem kandidātiem nākamās paaudzes TBC keramikas materiāliem. Pētījumi liecina, ka retzemju cirkonātu lieliskās īpašības var ievērojami uzlabot pārklājumu termisko triecienu veiktspēju un termiskā cikla kalpošanas laiku. Piemēram, La2Zr2O7 un 8YSZ divslāņu pārklājuma struktūrā ārējais La2Zr2O7 materiāls var ievērojami samazināt siltumvadītspēju un palielināt termisko triecienu skaitu un termiskās oksidācijas ilgumu, parādot sinerģisko priekšrocību, ko rada "zema siltumvadītspēja{13}}augsta stabilitāte".
Turklāt pēdējos gados retzemju tantalāti (RE2Ta2O7) un retzemju niobāti (RE2Nb2O7) kā materiāli ar īpaši zemu siltumvadītspēju un lielisku termisko stabilitāti ir kļuvuši par jauniem pētniecības punktiem. Sliktās izturības dēļ to izmantošana kā pārklājuma materiāli ir ierobežota. Pašreizējie pētījumi galvenokārt ir vērsti uz materiālu funkcionālās komplementaritātes panākšanu, izmantojot daudzslāņu kompozītmateriālu struktūras vai gradienta struktūras.