Šiluminės barjerinės dangos ant metalinių komponentų uždeda „šilumą{0}}izoliuojančius šarvus“.
Aviacinių variklių ir dujų turbinų srityse yra amžinas siekis: aukštesnės turbinos įleidimo temperatūros. Dėl šios priežasties medžiagų mokslininkai nuolat tiria būdus, kaip pagerinti turbinų atsparumą aukštai -temperatūrai, o vienas iš efektyviausių būdų yra „apsauginė apranga“-turbinos komponentų padengimas skirtingų funkcijų dangomis, taip pagerinant eksploatacines savybes, didesnį patikimumą ir ilgesnį tarnavimo laiką.
Šiluminės barjerinės dangos lėktuvo variklyje (GP7200) ir tipinės šiluminės barjerinės dangos sistemos skerspjūvio morfologija
Šiuo metu šiluminės barjerinės dangos tapo pagrindine pagalbine technologija, padedančia peržengti metalinių medžiagų naudojimo ribas.
Šiluminės barjerinės dangos (TBC) yra izoliacinės dangos tipas, kuriame derinamos struktūrinės savybės ir funkcinės charakteristikos. Jie turi daugiasluoksnę struktūrą, panašią į "sumuštinį", sudarytą iš keraminio šilumos izoliacijos sluoksnio, metalinio surišimo sluoksnio ir superlydinio pagrindo. Tarp jų keraminis viršutinis sluoksnis yra pagrindinis funkcinis šiluminės barjerinės dangos sluoksnis, tiesiogiai palaikantis aukštą -temperatūros dujų šiluminį šoką, eroziją ir cheminę koroziją. Medžiagų parinkimas ir šio sluoksnio konstrukcinė konstrukcija tiesiogiai lemia dangos šilumos izoliacijos efektą ir tarnavimo laiką.
Šiluminės barjerinės dangos struktūra
Cirkonio{0}}pagrindo medžiagos yra tinkamiausia medžiaga keraminiam aukštos temperatūros{1}}šilumą izoliuojančių dangų sluoksniui.
Kadangi cirkonio -pagrindo medžiagos pasižymi puikiomis šiluminės izoliacijos savybėmis, aukšta-atsparumu oksidacijai, aukštai-temperatūrai atsparumui korozijai ir santykinai dideliu stiprumu, jos tapo tinkamiausia medžiaga keraminiam aukštos-temperatūrinės šiluminės barjerinės dangos sluoksniui.
Pirmasis cirkonio -pagrindo terminio barjero dangų kūrimo etapas buvo tiesioginis cirkonio oksido (ZrO2) kaip keraminio sluoksnio medžiagos naudojimas. Sparti ZrO2 fazinė transformacija kaitinant riboja jo eksploatavimo temperatūrą, todėl šiluminės barjerinės dangos tarnavimo laikas yra gana trumpas. Antrasis etapas buvo 6 masės% ~ 8 masės% Y2O3 iš dalies stabilizuotų ZrO2 (YSZ) keramikos sluoksnių naudojimas. Legiravimas su retųjų žemių oksidu Y2O3 padidino ZrO2 fazių virsmo temperatūrą, pagerino keraminės sistemos fazių stabilumą aukštoje temperatūroje{14}}, o YSZ vis dar yra plačiausiai pasaulyje naudojama šiluminės barjerinės dangos keraminė medžiaga.
Tačiau palaipsniui didėjant eksploatavimo temperatūrai, YSZ sistema palaipsniui atskleidė savo fazių stabilumo, atsparumo sukepinimo ir terminio ciklo nuovargio apribojimus. YSZ ypač aukštoje-temperatūroje, viršijančioje 1200 laipsnių, vyksta fazinė transformacija, dėl kurios struktūrinė trapuma ir dangos gedimas. Norėdami išspręsti šias problemas, mokslininkai pradėjo tyrinėti naujas keraminių medžiagų sistemas.
Cirkonio{0}}milteliai: pirmoji kliūtis šilumos izoliacinių dangų „šilumą{1}}izoliuojantiems šarvams“.
Naudojant šiluminio barjero dangas, dangos, pagamintos iš „nano cirkonio oksido miltelių ir tuščiavidurių sferinių cirkonio oksido miltelių“, pasižymi geresnėmis savybėmis nei tradicinės mikrostruktūrinės dangos.
Dėl savo „unikalios mikrostruktūros“ nanostruktūrinės šiluminės barjerinės dangos paprastai turi didesnį atsparumą sukepimui ir geresnę deformacijos toleranciją, todėl žymiai pailgėja dangos tarnavimo laikas. Tuščiavidurės sferinės struktūros šiluminės barjerinės dangos dėl savo „akytų savybių“ gali veiksmingai sumažinti dangos šilumos laidumą ir užtikrinti geresnę šilumos izoliaciją, taip pat turėti geresnį stabilumą ir kitas charakteristikas. Pradinių cirkonio oksido miltelių charakteristikos turi lemiamos įtakos dangos veikimui. Todėl esamų miltelių-gamybos procesų optimizavimas arba geresnių procesų tyrinėjimas ir naujų, geresnių miltelių tipų kūrimas yra pagrindinis būdas pagerinti šiluminės izoliacijos dangų veikimą ir atitikti pažangių ir sudėtingų sričių reikalavimus.
Miltelių, naudojamų cirkonio -pagrindo -termiškai barjerinėse dangose, paruošimo metodai apima garų nusodinimą, išlydytos druskos metodą, sol-gelio metodą, homogeninio nusodinimo metodą, hidroterminį metodą, šabloninį metodą ir kt. Tarp jų ypač vertas dėmesio „hidroterminis metodas“, kaip cheminio paruošimo metodas, turintis didelį plėtros potencialą, turi išskirtinių pranašumų ruošiant grynus / legiruotus nano cirkonio oksido miltelius. Šablonų metodas gali tiksliai kontroliuoti tuščiavidurių sferų skersmenį ir sienelių storį, parenkant įvairaus dydžio šablonines medžiagas, ir yra efektyvi priemonė kontroliuojamam tuščiavidurių sferinių konstrukcijų paruošimui. Purškiamoji pirolizė labiau tinka didelės apimties gamybai, formuojant tuščiavidures sferines struktūras vienu žingsniu, vykstant pirmtako kontroliuojamo skysčio purškimo, džiovinimo ir pirolizės procesams.
Pagrindinių cirkonio -miltelinių medžiagų paruošimo technologijų palyginimas
Pristatome retųjų žemių metalus, kad sukurtume naujus cirkonio{0}}termos barjero keramikos sluoksnius.
Viena vertus, patobulinus esamas šiluminės izoliacijos dangos medžiagas ir tuo pačiu metu legiruojant su keliais retųjų žemių oksidais -iterbio oksidu, skandžio oksidu, gadolinio oksidu, cerio oksidu-, gali atsirasti visiškai kitoks poveikis.
Kita vertus, svarbia mokslinių tyrimų kryptimi tapo naujų cirkonio{0}}sudėtinių miltelių (tokių kaip cirkonio oksido ir retųjų žemių druskų sudėtinių sistemų) kūrimas.
Palyginti su YSZ, retųjų žemių cirkonatinės (RE2Zr2O7) medžiagos pasižymi mažesniu šilumos laidumu, didesniu fazių stabilumu ir geresniu atsparumu sukepimui, todėl jos yra pagrindinės kandidatės naujos kartos TBC keraminėms medžiagoms. Tyrimai rodo, kad puikios retųjų žemių cirkonatų savybės gali žymiai pagerinti dangų šiluminio šoko veikimą ir terminio ciklo trukmę. Pavyzdžiui, dviejų sluoksnių La2Zr2O7 ir 8YSZ dangos struktūroje išorinė La2Zr2O7 medžiaga gali žymiai sumažinti šilumos laidumą ir padidinti terminių smūgių skaičių bei terminės oksidacijos trukmę, parodydama sinerginį „mažo šilumos laidumo-didelio stabilumo pranašumą“.
Be to, pastaraisiais metais retųjų žemių tantalatai (RE2Ta2O7) ir retųjų žemių niobatai (RE2Nb2O7), kaip itin mažo šilumos laidumo ir puikaus šiluminio stabilumo medžiagos, tapo naujais tyrimų taškais. Dėl prasto kietumo jų kaip dengimo medžiagų naudojimas yra ribotas. Dabartiniai tyrimai daugiausia skirti siekti funkcinio medžiagų papildomumo naudojant daugiasluoksnes kompozicines struktūras arba gradientines struktūras.