A hőszigetelő bevonatok „hőszigetelő páncélt{0}} helyeznek el a fém alkatrészeken.
Az aeromotorok és a gázturbinák területén örök törekvés van: magasabb turbina bemeneti hőmérséklet. Emiatt az anyagtudósok folyamatosan kutatják a turbinák magas hőmérsékleti ellenállásának -javításának módjait, és az egyik leghatékonyabb módszer a turbina alkatrészeinek „védőruházat”-bevonata különböző funkciójú bevonatokkal, ezáltal jobb szolgáltatási teljesítmény, nagyobb megbízhatóság és hosszabb élettartam érhető el.
Hőzáró bevonatok repülőgépmotorokban (GP7200) és egy tipikus hőzáró bevonatrendszer keresztmetszeti morfológiája-
Jelenleg a hőzáró bevonatok kulcsfontosságú támogató technológiává váltak a fémanyagok használati korlátainak áttörésében.
A hőszigetelő bevonatok (TBC) olyan szigetelő bevonatok, amelyek egyesítik a szerkezeti teljesítményt és a funkcionális jellemzőket. Többrétegű szerkezetük van, mint egy "szendvics", amely kerámia hőszigetelő rétegből, fémes kötőrétegből és szuperötvözet hordozóból áll. Ezek közül a kerámia felső réteg a hőzáró bevonat központi funkcionális rétege, amely közvetlenül viseli a magas hőmérsékletű gázok hősokkját, erózióját és kémiai korrózióját. Ennek a rétegnek az anyagválasztása és szerkezeti kialakítása közvetlenül meghatározza a bevonat hőszigetelő hatását és élettartamát.
Hőzáró bevonat szerkezete
A cirkónium-alapú anyagok az előnyben részesített anyagok a magas hőmérsékletű hőzáró bevonatok kerámiarétegében.
Mivel a cirkónium-alapú anyagok kiváló hőszigetelő képességgel, magas hőmérsékleti oxidációállósággal, magas-hőmérsékletű korrózióállósággal és viszonylag nagy szilárdsággal rendelkeznek, a magas hőmérsékletű hőszigetelő bevonatok kerámiarétegének előnyben részesített anyagává váltak.
A cirkónium{0}}alapú hőzáró bevonatok fejlesztésének első lépése a cirkónium-oxid (ZrO2) kerámiaréteg anyagaként történő közvetlen felhasználása volt. A ZrO2 melegítés közbeni gyors fázisátalakulása korlátozza az üzemi hőmérsékletét, ami viszonylag rövid élettartamot eredményez a hőzáró bevonat számára. A második lépésben 6 tömeg%~8 tömeg% Y2O3 részlegesen stabilizált ZrO2 (YSZ) kerámiaréteget használtunk. Az Y2O3 ritkaföldfém-oxiddal való adalékolás növelte a ZrO2 fázisátalakulási hőmérsékletét, javította a kerámiarendszer magas hőmérsékletű fázisstabilitását, és az YSZ még mindig a legszélesebb körben használt hőzáró bevonat kerámiaanyag világszerte.
Az üzemi hőmérsékletek fokozatos emelkedésével azonban az YSZ rendszer fokozatosan felfedte korlátait a fázisstabilitás, a szinterezési ellenállás és a hőciklus-fáradás tekintetében. Különösen magas,-1200 fok feletti hőmérsékletű környezetben az YSZ hajlamos a fázistranszformációra, ami szerkezeti ridegséghez és a bevonat meghibásodásához vezet. E problémák megoldása érdekében a kutatók új kerámiaanyagrendszerek feltárását kezdték el.
Cirkónium-alapú porok: az első akadály a hőszigetelő bevonatok "hőszigetelő páncélzatának"{1}}megvalósítása előtt.
A hőszigetelő bevonatoknál a "nano-cirkónium-oxid porokból és az üreges gömb alakú cirkónium-oxid porokból" készített bevonatok kiválóbb teljesítményt mutatnak, mint a hagyományos mikrostrukturált bevonatok.
"Egyedi mikroszerkezetük" miatt a nanostrukturált hőzáró bevonatok általában nagyobb szintereződési ellenállással és jobb húzódástűrő képességgel rendelkeznek, ezáltal jelentősen megnövelve a bevonat élettartamát. Az üreges, gömb alakú szerkezetű hőzáró bevonatok "porózus tulajdonságaik" miatt hatékonyan csökkenthetik a bevonat hővezető képességét és jobb hőszigetelést biztosítanak, miközben jobb stabilitást és egyéb jellemzőket is biztosítanak. A kezdeti cirkónium-oxid por jellemzői döntően befolyásolják a bevonat teljesítményét. Ezért a meglévő porgyártási folyamatok optimalizálása-vagy kiválóbbak feltárása, valamint új, jobb teljesítményű portípusok kifejlesztése kulcsfontosságú út a hőzáró bevonatok teljesítményének javításához, valamint a fejlett és kifinomult területek követelményeinek való megfeleléshez.
A cirkónium{0}}alapú magas hőmérsékletű hőzáró bevonatokban használt porok előkészítési módszerei közé tartozik a gőzleválasztás, az olvadt só módszer, a szol-gél módszer, a homogén kicsapásos módszer, a hidrotermikus módszer, a sablonmódszer és mások. Közülük a különösen figyelemreméltó „hidrotermikus módszer”, mint nagy fejlesztési potenciállal rendelkező kémiai előállítási eljárás, kiemelkedő előnyöket mutat a tiszta/adalékolt nanocirkónium-oxid porok előállításában. A sablonmódszerrel különböző méretű sablonozószerek kiválasztásával precízen szabályozható az üreges gömbök átmérője és falvastagsága, és hatékony eszköze az üreges gömbszerkezetek szabályozható előkészítésének. A permetező pirolízis alkalmasabb nagy-üzemi gyártásra, egy lépésben üreges gömb alakú struktúrákat képezve egy prekurzor-kontrollált folyadék porlasztási, szárítási és pirolízises folyamatai során.
A cirkónium{0}}alapú poranyagok főbb előkészítési technológiáinak összehasonlítása
Ritkaföldfémek bemutatása új cirkónium{0}}alapú hőzáró kerámiarétegek kifejlesztéséhez.
Egyrészt a meglévő hőzáró bevonatanyagok javítása, miközben egyidejűleg több ritkaföldfém-oxiddal -ytterbium-oxiddal, szkandium-oxiddal, gadolínium-oxiddal, cérium-oxiddal{1}} is adalékolunk, teljesen eltérő hatásokat eredményezhet.
Másrészt az új cirkónium{0}}alapú kompozit porok (például cirkónium-oxid és ritkaföldfém-sók kompozit rendszerek) kifejlesztése is fontos kutatási irány lett.
Az YSZ-hez képest a ritkaföldfém cirkonát (RE2Zr2O7) anyagok alacsonyabb hővezető képességet, nagyobb fázisstabilitást és jobb szinterezési ellenállást mutatnak, így a TBC kerámia anyagok következő generációjának fő jelöltjei. A tanulmányok azt mutatják, hogy a ritkaföldfém-cirkonátok kiváló tulajdonságai jelentősen javíthatják a bevonatok hősokk-teljesítményét és hőciklusos élettartamát. Például a La2Zr2O7 és a 8YSZ kétrétegű bevonatszerkezetében a külső La2Zr2O7 anyag jelentősen csökkentheti a hővezető képességet, valamint növelheti a hősokkok számát és a termikus oxidáció élettartamát, bizonyítva az „alacsony hővezető képességű-nagy stabilitás szinergikus előnyét”.
Ezenkívül az elmúlt években a ritkaföldfém-tantalátok (RE2Ta2O7) és a ritkaföldfém-niobátok (RE2Nb2O7), mint az ultra-alacsony hővezetőképességű és kiváló hőstabilitású anyagok, új kutatási központokká váltak. Gyenge szívósságuk miatt bevonóanyagként való alkalmazásuk korlátozott. A jelenlegi kutatások főként az anyagok funkcionális komplementaritásának elérésére összpontosítanak többrétegű kompozit szerkezetek vagy gradiens struktúrák révén.