Powłoki stanowiące barierę termiczną tworzą-cieplną izolację na elementach metalowych.
W dziedzinie silników lotniczych i turbin gazowych istnieje odwieczne dążenie: wyższe temperatury na wlocie turbiny. Z tego powodu materiałoznawcy stale badają sposoby poprawy-odporności turbin na wysokie temperatury, a jedną z najskuteczniejszych metod jest zakładanie „odzieży ochronnej”-powlekania elementów turbin powłokami spełniającymi różne funkcje, co pozwala uzyskać lepszą wydajność pracy, większą niezawodność i dłuższą żywotność.
Powłoki stanowiące barierę termiczną w silniku lotniczym (GP7200) i-morfologia przekroju poprzecznego typowego systemu powłok stanowiących barierę termiczną
Obecnie powłoki stanowiące barierę termiczną stały się kluczową technologią wspierającą przełamanie ograniczeń użytkowych materiałów metalowych.
Powłoki termoizolacyjne (TBC) to rodzaj powłok izolacyjnych, które łączą w sobie właściwości strukturalne i funkcjonalne. Mają wielowarstwową strukturę przypominającą „kanapkę”, składającą się z ceramicznej warstwy izolacji termicznej, metalicznej powłoki wiążącej i podłoża z nadstopu. Wśród nich ceramiczna warstwa wierzchnia jest podstawową warstwą funkcjonalną powłoki stanowiącej barierę termiczną, bezpośrednio przenoszącą szok termiczny, erozję i korozję chemiczną-gazu o wysokiej temperaturze. Dobór materiałów i konstrukcja tej warstwy bezpośrednio decydują o efekcie termoizolacyjnym i trwałości użytkowej powłoki.
Struktura powłoki stanowiącej barierę termiczną
Preferowanym materiałem na warstwę ceramiczną wysokotemperaturowych powłok stanowiących barierę termiczną- są materiały na bazie cyrkonu.
Ponieważ materiały na bazie cyrkonu-mają doskonałe właściwości termoizolacyjne,-odporność na utlenianie w wysokiej-temperaturze, odporność na korozję-w wysokiej temperaturze i stosunkowo wysoką wytrzymałość, stały się one preferowanym materiałem na warstwę ceramiczną wysokotemperaturowych-powłok stanowiących barierę termiczną.
Pierwszym etapem rozwoju powłok stanowiących barierę termiczną na bazie cyrkonu- było bezpośrednie zastosowanie tlenku cyrkonu (ZrO2) jako materiału warstwy ceramicznej. Szybka przemiana fazowa ZrO2 podczas ogrzewania ogranicza jego temperaturę użytkowania, co skutkuje stosunkowo krótką żywotnością powłoki stanowiącej barierę termiczną. Drugim etapem było zastosowanie warstw ceramicznych o zawartości 6% wag. ~ 8% wag. Y2O3, częściowo stabilizowanego ZrO2 (YSZ). Domieszkowanie tlenkiem pierwiastka ziem rzadkich Y2O3 zwiększyło temperaturę przemiany fazowej ZrO2, poprawiło-stabilność fazową układu ceramicznego w wysokiej temperaturze, a YSZ jest nadal najpowszechniej stosowanym na świecie materiałem ceramicznym z powłoką stanowiącą barierę termiczną.
Jednakże w miarę stopniowego wzrostu temperatury pracy system YSZ stopniowo ujawniał swoje ograniczenia w zakresie stabilności fazowej, odporności na spiekanie i wydajności zmęczeniowej spowodowanej cyklami termicznymi. Szczególnie w środowiskach o wysokiej-temperaturze powyżej 1200 stopni YSZ jest podatny na przemianę fazową, co prowadzi do kruchości strukturalnej i uszkodzenia powłoki. Aby rozwiązać te problemy, badacze zaczęli badać nowe systemy materiałów ceramicznych.
Proszki-na bazie cyrkonu: pierwsza przeszkoda w tworzeniu „pancerza-izolującego ciepło” powłok stanowiących barierę termiczną.
W zastosowaniach powłok stanowiących barierę termiczną powłoki przygotowane z „proszków nanotlenku cyrkonu i pustych w środku kulistych proszków tlenku cyrkonu” wykazują lepszą wydajność niż tradycyjne powłoki mikrostrukturalne.
Ze względu na swoją „unikalną mikrostrukturę” nanostrukturalne powłoki stanowiące barierę termiczną mają zwykle wyższą odporność na spiekanie i lepszą tolerancję na odkształcenia, co znacznie poprawia żywotność powłoki. Puste w środku powłoki stanowiące barierę termiczną o strukturze kulistej, ze względu na ich „porowate właściwości”, mogą skutecznie zmniejszać przewodność cieplną powłoki i zapewniać lepszą izolację termiczną, a jednocześnie mieć lepszą stabilność i inne właściwości. Charakterystyka początkowego proszku tlenku cyrkonu ma decydujący wpływ na wydajność powłoki. Dlatego optymalizacja istniejących procesów-wytwarzania proszku lub odkrywanie lepszych i opracowywanie nowych rodzajów proszków o lepszych parametrach to kluczowa droga do poprawy wydajności powłok stanowiących barierę termiczną i spełnienia wymagań zaawansowanych i wyrafinowanych dziedzin.
Metody przygotowania proszków stosowanych w wysokotemperaturowych-powłokach stanowiących barierę termiczną na bazie cyrkonu obejmują osadzanie z fazy gazowej, metodę stopionej soli, metodę zolu-żelu, metodę jednorodnego wytrącania, metodę hydrotermalną, metodę szablonową i inne. Wśród nich na szczególną uwagę zasługuje „metoda hydrotermalna”, jako metoda przygotowania chemicznego o dużym potencjale rozwojowym, wykazująca wyjątkowe zalety w otrzymywaniu czystych/domieszkowanych proszków nanotlenku cyrkonu. Metoda szablonowa umożliwia precyzyjną kontrolę średnicy i grubości ścianek pustych kulek poprzez dobór szablonów o różnych rozmiarach i jest skutecznym sposobem osiągnięcia kontrolowanego przygotowania pustych struktur kulistych. Piroliza natryskowa jest bardziej odpowiednia w przypadku-produkcji na dużą skalę, polegającej na tworzeniu pustych w środku kulistych struktur w jednym etapie poprzez procesy atomizacji, suszenia i pirolizy cieczy kontrolowanej przez prekursor-.
Porównanie głównych technologii przygotowania materiałów proszkowych na bazie cyrkonu-
Wprowadzenie pierwiastków ziem rzadkich w celu opracowania nowych warstw ceramicznych stanowiących barierę termiczną na bazie cyrkonu-.
Z jednej strony ulepszanie istniejących materiałów stanowiących barierę termiczną przy jednoczesnym domieszkowaniu wielu tlenków metali ziem rzadkich-tlenku iterbu, tlenku skandu, tlenku gadolinu, tlenku ceru-może dać zupełnie inne efekty.
Z drugiej strony ważnym kierunkiem badań stało się także opracowywanie nowych proszków kompozytowych na bazie cyrkonu- (takich jak układy kompozytowe składające się z tlenku cyrkonu i soli pierwiastków ziem rzadkich).
W porównaniu z YSZ, materiały cyrkonianowe pierwiastków ziem rzadkich (RE2Zr2O7) wykazują niższą przewodność cieplną, wyższą stabilność fazową i lepszą odporność na spiekanie, co czyni je głównymi kandydatami na następną generację materiałów ceramicznych TBC. Badania pokazują, że doskonałe właściwości cyrkonianów pierwiastków ziem rzadkich mogą znacznie poprawić odporność powłok na szok termiczny i trwałość cykli termicznych. Na przykład w-dwuwarstwowej strukturze powłoki La2Zr2O7 i 8YSZ zewnętrzny materiał La2Zr2O7 może znacznie zmniejszyć przewodność cieplną oraz zwiększyć liczbę szoków termicznych i czas utleniania termicznego, wykazując synergiczną zaletę „niskiego przewodnictwa cieplnego-wysokiej stabilności”.
Ponadto w ostatnich latach tantalany metali ziem rzadkich (RE2Ta2O7) i niobiany metali ziem rzadkich (RE2Nb2O7), jako materiały o bardzo-niskim przewodnictwie cieplnym i doskonałej stabilności termicznej, stały się nowymi gorącymi punktami badawczymi. Ze względu na ich słabą wytrzymałość, ich zastosowanie jako materiałów powłokowych jest ograniczone. Obecne badania skupiają się głównie na osiągnięciu funkcjonalnej komplementarności materiałów poprzez wielowarstwowe struktury kompozytowe lub struktury gradientowe.