Povlaky s tepelnou bariérou vytvárajú „tepelný-pancier“ na kovové komponenty.
V oblasti leteckých motorov a plynových turbín existuje večná snaha: vyššie teploty na vstupe do turbín. Z tohto dôvodu vedci zaoberajúci sa materiálmi neustále skúmajú spôsoby, ako zlepšiť odolnosť turbín voči vysokým-teplotám, a jednou z najúčinnejších metód je obliecť si „ochranný odev“-natieranie komponentov turbíny nátermi, ktoré majú rôzne funkcie, čím sa dosiahne lepší prevádzkový výkon, väčšia spoľahlivosť a dlhšia životnosť.
Tepelné bariérové nátery v leteckom motore (GP7200) a prierezová-morfológia typického tepelného bariérového náterového systému
V súčasnosti sa povlaky tepelnej bariéry stali kľúčovou podpornou technológiou na prelomenie prevádzkových limitov kovových materiálov.
Tepelné bariérové nátery (TBC) sú typom izolačného náteru, ktorý kombinuje štrukturálne vlastnosti a funkčné vlastnosti. Majú viacvrstvovú štruktúru ako "sendvič" pozostávajúcu z keramickej tepelnoizolačnej vrstvy, kovového spojovacieho náteru a superzliatinového substrátu. Medzi nimi je keramická vrchná vrstva jadrom funkčnej vrstvy tepelnej bariérovej vrstvy, ktorá priamo nesie tepelný šok, eróziu a chemickú koróziu plynom s vysokou-teplotou. Výber materiálov a konštrukčné prevedenie tejto vrstvy priamo určuje tepelnoizolačný účinok a životnosť náteru.
Štruktúra tepelnej bariéry
Materiály na báze zirkónu-sú preferovaným materiálom pre keramickú vrstvu-teplotných bariérových povlakov.
Keďže materiály na báze zirkónia- majú vynikajúcu tepelnú izoláciu, odolnosť proti vysokej-oxidácii pri vysokej teplote, odolnosť proti korózii pri vysokých-teplotách a relatívne vysokú pevnosť, stali sa preferovaným materiálom pre keramickú vrstvu povlakov tepelnej bariéry pri vysokých-teplotách.
Prvou fázou vývoja tepelne bariérových povlakov na báze zirkónia- bolo priame použitie oxidu zirkoničitého (ZrO2) ako materiálu keramickej vrstvy. Rýchla fázová transformácia ZrO2 počas zahrievania obmedzuje jeho prevádzkovú teplotu, čo má za následok relatívne krátku životnosť tepelnej bariérovej vrstvy. Druhým stupňom bolo použitie 6 % hmotn. až 8 % hmotn. Y203 čiastočne stabilizovaných keramických vrstiev Zr02 (YSZ). Dopovanie oxidom vzácnych zemín Y2O3 zvýšilo teplotu fázovej transformácie ZrO2, zlepšilo fázovú stabilitu keramického systému pri vysokej teplote a YSZ je stále celosvetovo najpoužívanejším keramickým materiálom s tepelnou bariérou.
S postupným zvyšovaním prevádzkových teplôt však systém YSZ postupne odhalil svoje obmedzenia vo fázovej stabilite, odolnosti proti spekaniu a výkonnosti pri tepelnej cyklickej únave. Najmä v prostredí s vysokou-teplotou nad 1200 stupňov je YSZ náchylný na fázovú transformáciu, čo vedie k krehnutiu štruktúry a zlyhaniu povlaku. Na vyriešenie týchto problémov výskumníci začali skúmať nové systémy keramických materiálov.
Prášky na báze zirkónu-: prvá prekážka pre „tepelne-izolačné pancierovanie“ povlakov tepelnej bariéry.
V aplikáciách povlakov tepelnej bariéry povlaky pripravené z "práškov nanooxidu zirkónia a dutých sférických práškov oxidu zirkónia" vykazujú lepšie vlastnosti ako tradičné mikroštruktúrované povlaky.
Vďaka svojej „jedinečnej mikroštruktúre“ majú nanoštruktúrne povlaky tepelnej bariéry zvyčajne vyššiu odolnosť proti spekaniu a lepšiu toleranciu namáhania, čím sa výrazne zlepšuje životnosť povlaku. Povlaky s dutou guľou štruktúrovanou tepelnou bariérou môžu vďaka svojim „poréznym vlastnostiam“ účinne znížiť tepelnú vodivosť náteru a poskytnúť lepšiu tepelnú izoláciu, pričom majú tiež lepšiu stabilitu a ďalšie vlastnosti. Charakteristiky pôvodného prášku oxidu zirkoničitého majú rozhodujúci vplyv na výkon povlaku. Preto je optimalizácia existujúcich procesov-výroby práškov alebo skúmanie tých dokonalejších a vývoj nových typov práškov s lepším výkonom kľúčovou cestou k zlepšeniu výkonnosti náterov s tepelnou bariérou a splneniu požiadaviek pokročilých a sofistikovaných oblastí.
Metódy prípravy práškov používaných v zirkónových-vysokoteplotných{1}}tepelných bariérových povlakoch zahŕňajú naparovanie, metódu roztavenej soli, metódu sol{2}}gélu, metódu homogénneho zrážania, hydrotermálnu metódu, šablónovú metódu a iné. Medzi nimi obzvlášť pozoruhodná "hydrotermálna metóda", ako metóda chemickej prípravy s veľkým potenciálom rozvoja, vykazuje vynikajúce výhody pri príprave práškov čistého/dopovaného nanooxidu zirkónia. Šablónová metóda môže presne kontrolovať priemer a hrúbku steny dutých guľôčok výberom činidiel na vytváranie šablón rôznych veľkostí a je účinným prostriedkom na dosiahnutie kontrolovateľnej prípravy dutých guľových štruktúr. Sprejová pyrolýza je vhodnejšia pre-výrobu vo veľkom meradle, pričom vytvára duté guľovité štruktúry v jednom kroku prostredníctvom procesov atomizácie, sušenia a pyrolýzy prekurzorovej-kontrolovanej kvapaliny.
Porovnanie hlavných technológií prípravy práškových materiálov na báze zirkónu-
Predstavujeme vzácne zeminy s cieľom vyvinúť nové keramické vrstvy s tepelnou bariérou-na báze zirkónu.
Na jednej strane zlepšenie existujúcich náterových materiálov s tepelnou bariérou a súčasné dopovanie viacerými oxidmi vzácnych zemín-oxid yterbia, oxid skandia, oxid gadolínia, oxid céru- môže mať úplne odlišné účinky.
Na druhej strane sa vývoj nových kompozitných práškov{0}}na báze zirkónu (ako sú kompozitné systémy oxidu zirkoničitého a solí vzácnych zemín) stal tiež dôležitým smerom výskumu.
V porovnaní s YSZ materiály zirkoničitanu vzácnych zemín (RE2Zr2O7) vykazujú nižšiu tepelnú vodivosť, vyššiu fázovú stabilitu a lepšiu odolnosť voči spekaniu, vďaka čomu sú hlavnými kandidátmi pre ďalšiu generáciu keramických materiálov TBC. Štúdie ukazujú, že vynikajúce vlastnosti zirkoničitanov vzácnych zemín môžu výrazne zlepšiť účinnosť tepelných šokov a tepelnú cyklickú životnosť povlakov. Napríklad v dvojvrstvovej štruktúre povlaku La2Zr2O7 a 8YSZ môže vonkajší materiál La2Zr2O7 výrazne znížiť tepelnú vodivosť a zvýšiť počet tepelných šokov a životnosť tepelnej oxidácie, čo dokazuje synergickú výhodu „nízkej tepelnej vodivosti{13} a vysokej stability“.
Okrem toho sa v posledných rokoch stali tantaláty vzácnych zemín (RE2Ta2O7) a niobáty vzácnych zemín (RE2Nb2O7), ako materiály s ultra-nízkou tepelnou vodivosťou a vynikajúcou tepelnou stabilitou, novými ohniskami výskumu. Kvôli ich nízkej húževnatosti je ich použitie ako náterových materiálov obmedzené. Súčasný výskum sa zameriava najmä na dosiahnutie funkčnej komplementarity materiálov prostredníctvom viacvrstvových kompozitných štruktúr alebo gradientových štruktúr.