Premazi toplinske barijere stavljaju "toplinski{0}}izolacijski oklop" na metalne komponente.
U područjima zrakoplovnih motora i plinskih turbina postoji vječna potraga: više temperature na ulazu u turbine. Iz tog razloga znanstvenici za materijale stalno istražuju načine poboljšanja otpornosti turbina na visoke -temperature, a jedna od najučinkovitijih metoda je stavljanje "zaštitne odjeće"-premazivanje komponenata turbine premazima koji imaju različite funkcije, čime se postižu poboljšane performanse usluge, veća pouzdanost i duži vijek trajanja.
Premazi toplinske barijere u zrakoplovnom motoru (GP7200) i morfologija poprečnog-presjeka tipičnog sustava premaza toplinske barijere
Trenutačno su premazi toplinske barijere postali ključna prateća tehnologija za probijanje granica upotrebe metalnih materijala.
Premazi toplinske barijere (TBCs) vrsta su izolacijskih premaza koji kombiniraju strukturnu izvedbu i funkcionalne karakteristike. Imaju višeslojnu strukturu poput "sendviča", koja se sastoji od keramičkog sloja toplinske izolacije, metalnog veznog sloja i supstrata od superlegure. Među njima, keramički gornji sloj je temeljni funkcionalni sloj toplinske zaštitne prevlake, koji izravno podnosi toplinski udar, eroziju i kemijsku koroziju plina visoke-temperature. Izbor materijala i strukturni dizajn ovog sloja izravno određuju učinak toplinske izolacije i vijek trajanja premaza.
Struktura premaza toplinske barijere
Materijali na bazi-cirkonija poželjni su materijali za keramički sloj visoko{1}}temperaturnih toplinskih barijernih premaza.
Budući da materijali-na bazi cirkonija imaju izvrsnu toplinsku izolaciju, otpornost na-visoku-temperaturu oksidacije, otpornost na-visoku{2}}temperaturnu koroziju i relativno visoku čvrstoću, postali su preferirani materijal za keramički sloj visoko{3}}temperaturnih toplinskih barijernih premaza.
Prva faza u razvoju toplinskih barijernih premaza na bazi cirkonija bila je izravna upotreba cirkonijevog oksida (ZrO2) kao materijala za keramički sloj. Brza fazna transformacija ZrO2 tijekom zagrijavanja ograničava njegovu radnu temperaturu, što rezultira relativno kratkim životnim vijekom toplinske zaštitne prevlake. Druga faza bila je upotreba 6 wt% ~ 8 wt% Y2O3 djelomično stabiliziranih ZrO2 (YSZ) keramičkih slojeva. Dopiranje oksidom rijetke zemlje Y2O3 povećalo je temperaturu fazne transformacije ZrO2, poboljšalo visoko{14}}temperaturnu faznu stabilnost keramičkog sustava, a YSZ je još uvijek najčešće korišten keramički materijal za toplinsku barijeru u cijelom svijetu.
Međutim, kako radne temperature postupno rastu, YSZ sustav je postupno razotkrio svoja ograničenja u faznoj stabilnosti, otpornosti na sinteriranje i toplinskim ciklusima performansi zamora. Osobito u okruženjima visoke-temperature iznad 1200 stupnjeva, YSZ je sklon faznoj transformaciji, što dovodi do strukturne krtosti i kvara premaza. Kako bi riješili te probleme, istraživači su počeli istraživati nove sustave keramičkih materijala.
Prah-na bazi cirkonija: prva prepreka za "toplinski{1}}izolacijski oklop" premaza toplinske barijere.
U primjenama premaza toplinske barijere, premazi pripremljeni od "prahova nano cirkonijevog oksida i praha šupljeg sferičnog cirkonijevog oksida" pokazuju izvrsnije performanse od tradicionalnih mikrostrukturiranih premaza.
Zbog svoje "jedinstvene mikrostrukture", nanostrukturirani toplinski barijerni premazi obično imaju veću otpornost na sinteriranje i bolju toleranciju naprezanja, čime se značajno poboljšava životni vijek premaza. Šuplji sferni strukturirani toplinski barijerni premazi, zbog svojih "poroznih karakteristika," mogu učinkovito smanjiti toplinsku vodljivost premaza i pružiti bolju toplinsku izolaciju, a istovremeno imaju bolju stabilnost i druge karakteristike. Karakteristike početnog praha cirkonijevog oksida odlučujuće utječu na učinak premaza. Stoga je optimizacija postojećih-procesa izrade praha ili istraživanje izvrsnijih i razvoj novih vrsta praha s boljim učinkom ključni put za poboljšanje učinka premaza toplinske barijere i ispunjavanje zahtjeva naprednih i sofisticiranih područja.
Metode pripreme za prahove koji se koriste u visokotemperaturnim toplinskim barijernim premazima-na bazi cirkonija uključuju taloženje parom, metodu rastaljene soli, metodu sol-gela, metodu homogenog taloženja, hidrotermalnu metodu, metodu šablona i druge. Među njima, posebno istaknuta "hidrotermalna metoda", kao metoda kemijske pripreme s velikim razvojnim potencijalom, pokazuje izvanredne prednosti u pripremi čistih/dopiranih prahova nano cirkonijevog oksida. Metoda šablona može precizno kontrolirati promjer i debljinu stjenke šupljih kuglica odabirom sredstava za templatiranje različitih veličina, te je učinkovito sredstvo za postizanje kontrolirane pripreme šupljih sferičnih struktura. Piroliza u spreju je prikladnija za-veliku proizvodnju, formirajući šuplje sferne strukture u jednom koraku kroz procese raspršivanja, sušenja i pirolize prekursora-kontrolirane tekućine.
Usporedba glavnih tehnologija pripreme praškastih materijala-na bazi cirkonija
Uvođenje rijetkih zemalja za razvoj novih keramičkih slojeva toplinske barijere-na bazi cirkonija.
S jedne strane, poboljšanje postojećih materijala za prevlake toplinske barijere uz istovremeno dopiranje s višestrukim oksidima rijetkih zemalja-iterbijev oksid, skandijev oksid, gadolinijev oksid, cerijev oksid-može proizvesti potpuno različite učinke.
S druge strane, razvoj novih kompozitnih prahova na bazi-cirkonija (kao što su kompozitni sustavi cirkonijevog oksida i soli rijetkih zemalja) također je postao važan smjer istraživanja.
U usporedbi s YSZ-om, materijali od cirkonata rijetke zemlje (RE2Zr2O7) pokazuju nižu toplinsku vodljivost, veću faznu stabilnost i bolju otpornost na sinterovanje, što ih čini glavnim kandidatima za sljedeću generaciju TBC keramičkih materijala. Studije pokazuju da izvrsna svojstva cirkonata rijetkih zemalja mogu značajno poboljšati izvedbu toplinskog udara i toplinski ciklički vijek premaza. Na primjer, u dvo-slojnoj strukturi premaza La2Zr2O7 i 8YSZ, vanjski materijal La2Zr2O7 može značajno smanjiti toplinsku vodljivost i povećati broj toplinskih šokova i vijek trajanja toplinske oksidacije, pokazujući sinergijsku prednost "niske toplinske vodljivosti-visoke stabilnosti."
Osim toga, posljednjih su godina tantalati rijetkih zemalja (RE2Ta2O7) i niobati rijetkih zemalja (RE2Nb2O7), kao materijali s ultra-niskom toplinskom vodljivošću i izvrsnom toplinskom stabilnošću, postali nove žarišne točke istraživanja. Zbog njihove niske žilavosti njihova je primjena kao materijala za premazivanje ograničena. Trenutna istraživanja uglavnom su usmjerena na postizanje funkcionalne komplementarnosti materijala kroz višeslojne kompozitne strukture ili gradijentne strukture.