Thermische barrièrecoatings vormen een "hitte-isolerend pantser" op metalen onderdelen.
Op het gebied van vliegtuigmotoren en gasturbines is er een eeuwig streven: hogere turbine-inlaattemperaturen. Om deze reden onderzoeken materiaalwetenschappers voortdurend manieren om de hoge-temperatuurbestendigheid van turbines te verbeteren, en een van de meest effectieve methoden is het aantrekken van 'beschermende kleding'-het coaten van turbineonderdelen met coatings die verschillende functies hebben, waardoor betere serviceprestaties, grotere betrouwbaarheid en een langere levensduur worden bereikt.
Thermische barrièrecoatings in een vliegtuigmotor (GP7200) en de dwars- morfologie van een typisch thermisch barrièrecoatingsysteem
Momenteel zijn thermische barrièrecoatings een belangrijke ondersteunende technologie geworden om de servicelimieten van metalen materialen te doorbreken.
Thermische barrièrecoatings (TBC's) zijn een soort isolerende coating die structurele prestaties en functionele kenmerken combineert. Ze hebben een meerlaagse structuur, zoals een "sandwich", bestaande uit een keramische thermische isolatielaag, een metalen hechtlaag en een superlegeringssubstraat. Hiervan is de keramische toplaag de functionele kernlaag van de thermische barrièrecoating, die direct de thermische schokken, erosie en chemische corrosie van gas met hoge temperatuur draagt. De materiaalkeuze en het structurele ontwerp van deze laag bepalen rechtstreeks het thermische isolatie-effect en de levensduur van de coating.
Thermische barrièrecoatingstructuur
Materialen op basis van zirkonium- zijn het voorkeursmateriaal voor de keramische laag van thermische barrièrecoatings met hoge- temperaturen.
Omdat materialen op basis van zirkonium- uitstekende thermische isolatieprestaties, oxidatieweerstand bij hoge- temperaturen, corrosieweerstand bij hoge- temperaturen en relatief hoge sterkte hebben, zijn ze het voorkeursmateriaal geworden voor de keramische laag van thermische barrièrecoatings voor hoge- temperaturen.
De eerste fase in de ontwikkeling van op zirkonium-gebaseerde thermische barrièrecoatings was het directe gebruik van zirkoniumoxide (ZrO2) als het keramische laagmateriaal. De snelle fasetransformatie van ZrO2 tijdens verwarming beperkt de gebruikstemperatuur, wat resulteert in een relatief korte levensduur van de thermische barrièrecoating. De tweede fase was het gebruik van 6 gew.% ~ 8 gew.% Y2O3 gedeeltelijk gestabiliseerde ZrO2 (YSZ) keramische lagen. Doping met het zeldzame aardoxide Y2O3 verhoogde de fasetransformatietemperatuur van ZrO2, verbeterde de fasestabiliteit bij hoge temperaturen van het keramische systeem, en YSZ is wereldwijd nog steeds het meest gebruikte keramische materiaal met thermische barrièrecoating.
Naarmate de bedrijfstemperaturen echter geleidelijk stijgen, heeft het YSZ-systeem geleidelijk zijn beperkingen op het gebied van fasestabiliteit, sinterweerstand en thermische cyclische vermoeidheidsprestaties blootgelegd. Vooral in omgevingen met hoge- temperaturen boven de 1200 graden is YSZ gevoelig voor fasetransformatie, wat leidt tot structurele verbrossing en falen van de coating. Om deze problemen op te lossen zijn onderzoekers begonnen met het verkennen van nieuwe keramische materiaalsystemen.
Poeders op basis van zirkonium-: de eerste hindernis voor de 'hitte-isolerende bepantsering' van thermische barrièrecoatings.
Bij thermische barrièrecoatingtoepassingen vertonen coatings bereid uit "nano-zirkoniumoxidepoeders en holle bolvormige zirkoniumoxidepoeders" uitstekende prestaties dan traditionele microgestructureerde coatings.
Vanwege hun "unieke microstructuur" hebben nanogestructureerde thermische barrièrecoatings doorgaans een hogere sinterweerstand en een betere rektolerantie, waardoor de levensduur van de coating aanzienlijk wordt verbeterd. Holle bolvormig gestructureerde thermische barrièrecoatings kunnen vanwege hun "poreuze eigenschappen" de thermische geleidbaarheid van de coating effectief verminderen en zorgen voor een betere thermische isolatie, terwijl ze ook betere stabiliteit en andere kenmerken hebben. De eigenschappen van het oorspronkelijke zirkoniumoxidepoeder hebben een beslissende invloed op de coatingprestaties. Daarom is het optimaliseren van bestaande processen voor het maken van poeder- of het onderzoeken van nog betere processen, en het ontwikkelen van nieuwe soorten poeder met betere prestaties, een belangrijke weg naar het verbeteren van de prestaties van thermische barrièrecoatings en het voldoen aan de eisen van geavanceerde en geavanceerde vakgebieden.
De bereidingsmethoden voor poeders die worden gebruikt in op zirkonium-gebaseerde hoge- thermische barrièrecoatings omvatten dampafzetting, gesmolten zoutmethode, sol-gelmethode, homogene precipitatiemethode, hydrothermische methode, sjabloonmethode en andere. Daarvan vertoont de bijzonder opmerkelijke "hydrothermische methode", als een chemische bereidingsmethode met een groot ontwikkelingspotentieel, opmerkelijke voordelen bij het bereiden van zuivere/gedoteerde nano-zirkoniumoxidepoeders. De sjabloonmethode kan de diameter en wanddikte van holle bollen nauwkeurig regelen door sjabloonmiddelen van verschillende afmetingen te selecteren, en is een effectief middel om een controleerbare voorbereiding van holle bolvormige structuren te bereiken. Sproeipyrolyse is geschikter voor productie op grote- schaal, waarbij in één stap holle bolvormige structuren worden gevormd door de vernevelings-, droog- en pyrolyseprocessen van een precursor-gecontroleerde vloeistof.
Vergelijking van de belangrijkste bereidingstechnologieën voor op zirkonium-gebaseerde poedermaterialen
Introductie van zeldzame aardmetalen om nieuwe keramische lagen op basis van zirkonium- te ontwikkelen.
Aan de ene kant kan het verbeteren van bestaande thermische barrièrecoatingmaterialen en tegelijkertijd doteren met meerdere zeldzame aardoxides-ytterbiumoxide, scandiumoxide, gadoliniumoxide, ceriumoxide- totaal verschillende effecten opleveren.
Aan de andere kant is de ontwikkeling van nieuwe op zirkonium-gebaseerde composietpoeders (zoals composietsystemen van zirkoniumoxide en zeldzame aardzouten) ook een belangrijke onderzoeksrichting geworden.
Vergeleken met YSZ vertonen materialen van zeldzame aardzirkonaat (RE2Zr2O7) een lagere thermische geleidbaarheid, een hogere fasestabiliteit en een betere sinterweerstand, waardoor ze kernkandidaten zijn voor de volgende generatie keramische TBC-materialen. Studies tonen aan dat de uitstekende eigenschappen van zeldzame aardzirkonaten de thermische schokprestaties en de thermische levensduur van coatings aanzienlijk kunnen verbeteren. In de dubbel-laagse coatingstructuur van La2Zr2O7 en 8YSZ kan het buitenste La2Zr2O7-materiaal bijvoorbeeld de thermische geleidbaarheid aanzienlijk verminderen en het aantal thermische schokken en de levensduur van thermische oxidatie verhogen, wat het synergetische voordeel van "lage thermische geleidbaarheid-hoge stabiliteit" aantoont.
Bovendien zijn zeldzame aardtantalaten (RE2Ta2O7) en zeldzame aardniobaten (RE2Nb2O7), als materialen met ultra-lage thermische geleidbaarheid en uitstekende thermische stabiliteit, de afgelopen jaren nieuwe onderzoekshotspots geworden. Vanwege hun slechte taaiheid is hun toepassing als coatingmateriaal beperkt. Huidig onderzoek richt zich vooral op het bereiken van functionele complementariteit van materialen door middel van meerlaagse composietstructuren of gradiëntstructuren.