Теплозащитные покрытия создают «тепло-изолирующую броню» на металлических компонентах.
В области авиационных двигателей и газовых турбин существует вечная цель: повышение температуры на входе в турбину. По этой причине ученые-материаловеды постоянно изучают способы повышения стойкости турбин к высоким-температурам, и одним из наиболее эффективных методов является надевание «защитной одежды»-нанесение на компоненты турбины покрытий с различными функциями, что позволяет добиться улучшения эксплуатационных характеристик, большей надежности и увеличения срока службы.
Теплозащитные покрытия в авиационном двигателе (GP7200) и морфология поперечного-сечения типичной системы термобарьерных покрытий
В настоящее время термобарьерные покрытия стали ключевой технологией, позволяющей преодолеть ограничения срока службы металлических материалов.
Теплозащитные покрытия (ТБП) — это тип изоляционного покрытия, сочетающий в себе структурные характеристики и функциональные характеристики. Они имеют многослойную структуру типа «сэндвич», состоящую из керамического теплоизоляционного слоя, металлического связующего слоя и подложки из суперсплава. Среди них керамический верхний слой является основным функциональным слоем термобарьерного покрытия, непосредственно выдерживающим термический удар, эрозию и химическую коррозию высоко-газа. Выбор материалов и конструктивное решение этого слоя напрямую определяют теплоизоляционный эффект и срок службы покрытия.
Структура термобарьерного покрытия
Материалы на основе-циркония являются предпочтительным материалом для керамического слоя высоко-термозащитных покрытий.
Поскольку материалы на основе циркония-обладают превосходными теплоизоляционными характеристиками,-стойкостью к высокотемпературному окислению,-стойкостью к высокотемпературной коррозии и относительно высокой прочностью, они стали предпочтительным материалом для керамического слоя высоко-термозащитных покрытий.
Первым этапом разработки термобарьерных покрытий на основе циркония- стало непосредственное использование оксида циркония (ZrO2) в качестве материала керамического слоя. Быстрое фазовое превращение ZrO2 при нагреве ограничивает его рабочую температуру, что приводит к относительно небольшому сроку службы термобарьерного покрытия. Вторым этапом было использование частично стабилизированных Y2O3 керамических слоев ZrO2 (YSZ) с содержанием 6~8 мас.% Y2O3. Легирование редкоземельным оксидом Y2O3 увеличило температуру фазового превращения ZrO2, улучшило высокотемпературную фазовую стабильность керамической системы, а YSZ по-прежнему остается наиболее широко используемым керамическим материалом для термобарьерных покрытий во всем мире.
Однако по мере постепенного повышения рабочих температур система YSZ постепенно выявила свои ограничения в отношении фазовой стабильности, стойкости к спеканию и характеристик термоциклической усталости. YSZ склонен к фазовому превращению, особенно в условиях высоких-температур, превышающих 1200 градусов, что приводит к структурному охрупчиванию и разрушению покрытия. Чтобы решить эти проблемы, исследователи начали изучать новые системы керамических материалов.
Порошки на основе-циркония: первое препятствие для создания "тепло-изоляционной брони" термобарьерных покрытий.
При нанесении термобарьерных покрытий покрытия, приготовленные из «нанопорошков оксида циркония и полых сферических порошков оксида циркония», демонстрируют более превосходные характеристики, чем традиционные микроструктурированные покрытия.
Благодаря своей «уникальной микроструктуре» наноструктурированные термобарьерные покрытия обычно обладают более высокой стойкостью к спеканию и лучшей устойчивостью к деформации, тем самым значительно увеличивая срок службы покрытия. Полые сферические термобарьерные покрытия благодаря своим «пористым характеристикам» могут эффективно снижать теплопроводность покрытия и обеспечивать лучшую теплоизоляцию, а также иметь лучшую стабильность и другие характеристики. Характеристики исходного порошка оксида циркония оказывают решающее влияние на характеристики покрытия. Таким образом, оптимизация существующих процессов изготовления порошков-или исследование более совершенных, а также разработка новых типов порошков с более высокими характеристиками — это ключевой путь к улучшению характеристик термобарьерных покрытий и удовлетворению требований передовых и сложных областей.
Методы приготовления порошков, используемых в высокотемпературных термобарьерных покрытиях на основе-циркония-, включают осаждение из паровой фазы, метод расплавленных солей, золь-метод, метод гомогенного осаждения, гидротермальный метод, темплатный метод и другие. Среди них особо следует отметить «гидротермальный метод», как метод химического получения с большим потенциалом развития, который демонстрирует выдающиеся преимущества при получении чистых/легированных порошков нанооксида циркония. Темплатный метод позволяет точно контролировать диаметр и толщину стенок полых сфер путем выбора шаблонизаторов разных размеров и является эффективным средством достижения контролируемой подготовки полых сферических структур. Спрей-пиролиз больше подходит для крупномасштабного-производства, при котором полые сферические структуры формируются за один этап посредством процессов распыления, сушки и пиролиза жидкости, контролируемой прекурсором-.
Сравнение основных технологий получения порошковых материалов на основе циркония-
Использование редкоземельных элементов для разработки новых термобарьерных керамических слоев-на основе циркония.
С одной стороны, улучшение существующих материалов теплозащитного покрытия при одновременном легировании несколькими оксидами редкоземельных элементов-оксидом иттербия, оксидом скандия, оксидом гадолиния, оксидом церия-может дать совершенно разные эффекты.
С другой стороны, важным направлением исследований также стала разработка новых композитных порошков на основе-циркония (таких как композитные системы оксида циркония и солей редкоземельных металлов).
По сравнению с YSZ, редкоземельные цирконатные материалы (RE2Zr2O7) обладают более низкой теплопроводностью, более высокой фазовой стабильностью и лучшей стойкостью к спеканию, что делает их основными кандидатами на роль керамических материалов TBC следующего поколения. Исследования показывают, что превосходные свойства цирконатов редкоземельных металлов могут значительно улучшить характеристики термостойкости и срок службы покрытий при термоциклировании. Например, в двухслойной структуре покрытия La2Zr2O7 и 8YSZ внешний материал La2Zr2O7 может значительно снизить теплопроводность и увеличить количество тепловых ударов и срок службы термоокисления, демонстрируя синергетическое преимущество «низкой теплопроводности-высокой стабильности».
Кроме того, в последние годы танталаты редкоземельных элементов (RE2Ta2O7) и ниобаты редкоземельных металлов (RE2Nb2O7) как материалы со сверх-низкой теплопроводностью и превосходной термической стабильностью стали новыми горячими точками исследования. Из-за низкой прочности их применение в качестве материалов для покрытия ограничено. Текущие исследования в основном направлены на достижение функциональной взаимодополняемости материалов за счет многослойных композитных структур или градиентных структур.