Toplotni zaščitni premazi na kovinske komponente postavijo "toplotno{0}}izolacijski oklep".
Na področju letalskih motorjev in plinskih turbin obstaja večna težnja: višje vstopne temperature turbin. Zaradi tega znanstveniki za materiale nenehno raziskujejo načine za izboljšanje visoko-temperaturne odpornosti turbin in ena najučinkovitejših metod je oblečenje »zaščitnih oblačil«-prevleke komponent turbine s premazi, ki imajo različne funkcije, s čimer dosežemo izboljšano učinkovitost delovanja, večjo zanesljivost in daljšo življenjsko dobo.
Toplotni zaščitni premazi v letalskem motorju (GP7200) in morfologija preseka tipičnega toplotno zaščitnega sistema
Trenutno so toplotno zaščitni premazi postali ključna podporna tehnologija za prebijanje meja uporabe kovinskih materialov.
Toplotni zaščitni premazi (TBC) so vrsta izolacijskega premaza, ki združuje strukturno zmogljivost in funkcionalne značilnosti. Imajo večplastno strukturo kot "sendvič", sestavljeno iz keramične toplotnoizolacijske plasti, kovinskega veznega premaza in substrata iz superzlitine. Med temi je keramična zgornja plast osrednja funkcionalna plast toplotne zaščitne prevleke, ki neposredno prenaša toplotni udar, erozijo in kemično korozijo visoko{2}}temperaturnega plina. Izbira materialov in strukturna zasnova tega sloja neposredno določata učinek toplotne izolacije in življenjsko dobo premaza.
Struktura toplotne pregrade
Materiali na osnovi cirkonija-so prednostni material za keramično plast visoko{1}}temperaturnih toplotno zaščitnih premazov.
Ker imajo materiali na osnovi-cirkonija odlično toplotno izolacijo, visoko-temperaturno odpornost proti oksidaciji, visoko-temperaturno odpornost proti koroziji in razmeroma visoko trdnost, so postali prednostni material za keramično plast visoko-temperaturnih toplotnih zaščitnih premazov.
Prva stopnja v razvoju toplotno zaščitnih premazov na osnovi -cirkonija je bila neposredna uporaba cirkonijevega oksida (ZrO2) kot materiala keramične plasti. Hitra fazna transformacija ZrO2 med segrevanjem omejuje njegovo delovno temperaturo, kar ima za posledico relativno kratko življenjsko dobo toplotno zaščitne prevleke. Druga stopnja je bila uporaba 6 mas.%~8 mas.% Y2O3 delno stabiliziranih keramičnih plasti ZrO2 (YSZ). Dopiranje z oksidom redkih zemelj Y2O3 je povečalo temperaturo fazne transformacije ZrO2, izboljšalo visoko{14}}temperaturno fazno stabilnost keramičnega sistema in YSZ je še vedno najpogosteje uporabljen keramični material za prevleko s toplotno pregrado po vsem svetu.
Ker pa se delovne temperature postopoma zvišujejo, je sistem YSZ postopoma razkril svoje omejitve v fazni stabilnosti, odpornosti proti sintranju in učinkovitosti toplotne ciklične utrujenosti. Zlasti v okoljih z visoko-temperaturo nad 1200 stopinj je YSZ nagnjen k fazni transformaciji, kar vodi do strukturne krhkosti in odpovedi prevleke. Za rešitev teh težav so raziskovalci začeli raziskovati nove sisteme keramičnih materialov.
Praški-na osnovi cirkonija: prva ovira za "toplotno{1}}izolacijski oklep" toplotno zaščitnih premazov.
Pri nanašanju toplotno zaščitnih premazov imajo premazi, pripravljeni iz "prahov nano cirkonijevega oksida in votlih sferičnih praškov cirkonijevega oksida", boljšo učinkovitost kot tradicionalni mikrostrukturirani premazi.
Zaradi svoje "edinstvene mikrostrukture" imajo nanostrukturni toplotno zaščitni premazi običajno višjo odpornost proti sintranju in boljšo toleranco na deformacije, s čimer se bistveno izboljša življenjska doba premaza. Votle sferične strukturirane toplotne zaščitne prevleke lahko zaradi svojih "poroznih lastnosti" učinkovito zmanjšajo toplotno prevodnost prevleke in zagotovijo boljšo toplotno izolacijo, hkrati pa imajo boljšo stabilnost in druge lastnosti. Lastnosti začetnega praška cirkonijevega oksida odločilno vplivajo na učinkovitost premaza. Zato je optimizacija obstoječih postopkov-izdelave prahu ali raziskovanje odličnejših in razvoj novih vrst prahu z boljšim delovanjem ključna pot do izboljšanja delovanja toplotno zaščitnih premazov in izpolnjevanja zahtev naprednih in sofisticiranih področij.
Metode priprave za praške, ki se uporabljajo v visoko-temperaturnih toplotno zaščitnih premazih na osnovi cirkonija, vključujejo nanašanje s paro, metodo staljene soli, metodo sol-gela, metodo homogenega obarjanja, hidrotermalno metodo, metodo s šablonami in druge. Med njimi posebej omembe vredna "hidrotermalna metoda", kot metoda kemične priprave z velikim razvojnim potencialom, kaže izjemne prednosti pri pripravi čistih/dopiranih prahov nano cirkonijevega oksida. Metoda šablone lahko natančno nadzoruje premer in debelino stene votlih krogel z izbiro sredstev za šablono različnih velikosti in je učinkovito sredstvo za doseganje nadzorovane priprave votlih sferičnih struktur. Razpršilna piroliza je primernejša za-velikoserijsko proizvodnjo, pri kateri se v enem koraku tvorijo votle sferične strukture s postopki atomizacije, sušenja in pirolize predhodne-tekočine.
Primerjava glavnih tehnologij priprave praškastih materialov-na osnovi cirkonija
Predstavitev redkih zemelj za razvoj novih keramičnih plasti s toplotno pregrado-na osnovi cirkonija.
Po eni strani lahko izboljšanje obstoječih materialov za prevleke s toplotno pregrado ob hkratnem dopiranju z več oksidi redkih zemelj-iterbijev oksid, skandijev oksid, gadolinijev oksid, cerijev oksid-povzroči popolnoma drugačne učinke.
Po drugi strani pa je razvoj novih kompozitnih praškov na osnovi -cirkonija (kot so kompozitni sistemi cirkonijevega oksida in soli redkih zemelj) prav tako postal pomembna raziskovalna smer.
V primerjavi z YSZ imajo redki zemeljski cirkonatni (RE2Zr2O7) materiali nižjo toplotno prevodnost, višjo fazno stabilnost in boljšo odpornost proti sintranju, zaradi česar so glavni kandidati za naslednjo generacijo keramičnih materialov TBC. Študije kažejo, da lahko odlične lastnosti cirkonatov redkih zemelj znatno izboljšajo odpornost na toplotne udarce in življenjsko dobo premazov pri termičnih ciklih. Na primer, v strukturi dvo-plastne prevleke La2Zr2O7 in 8YSZ lahko zunanji material La2Zr2O7 znatno zmanjša toplotno prevodnost in poveča število toplotnih šokov in življenjsko dobo toplotne oksidacije, kar dokazuje sinergistično prednost "nizke toplotne prevodnosti-visoke stabilnosti."
Poleg tega so v zadnjih letih tantalati redkih zemelj (RE2Ta2O7) in niobati redkih zemelj (RE2Nb2O7), kot materiali z ultra-nizko toplotno prevodnostjo in odlično toplotno stabilnostjo, postali novi žarišči raziskav. Zaradi njihove slabe žilavosti je njihova uporaba kot premaznih materialov omejena. Trenutne raziskave se osredotočajo predvsem na doseganje funkcionalne komplementarnosti materialov z večplastnimi kompozitnimi strukturami ali gradientnimi strukturami.