Povlaky s tepelnou bariérou vytvářejí „tepelně-izolační pancíř“ na kovové součásti.
V oblasti leteckých motorů a plynových turbín existuje věčná snaha: vyšší teploty na vstupu do turbín. Z tohoto důvodu vědci zabývající se materiály neustále zkoumají způsoby, jak zlepšit odolnost turbín proti vysokým-teplotám, a jednou z nejúčinnějších metod je obléct si „ochranný oděv“-pokrýt součásti turbín povlaky, které mají různé funkce, čímž se dosáhne lepšího provozního výkonu, větší spolehlivosti a delší životnosti.
Tepelně bariérové nátěry v leteckém motoru (GP7200) a průřezová-morfologie typického tepelného bariérového nátěrového systému
V současné době se tepelně bariérové povlaky staly klíčovou podpůrnou technologií pro překonání provozních limitů kovových materiálů.
Tepelné bariérové povlaky (TBC) jsou typem izolačního povlaku, který kombinuje strukturální vlastnosti a funkční vlastnosti. Mají vícevrstvou strukturu jako „sendvič“ skládající se z keramické tepelně izolační vrstvy, kovového pojiva a substrátu ze superslitiny. Mezi nimi je keramická vrchní vrstva hlavní funkční vrstvou tepelné bariéry, která přímo nese tepelný šok, erozi a chemickou korozi plynů o vysoké teplotě-. Výběr materiálů a konstrukční provedení této vrstvy přímo určují tepelně izolační účinek a životnost nátěru.
Struktura tepelné bariéry
Materiály na bázi zirkonia-jsou preferovaným materiálem pro keramickou vrstvu-teplotních tepelně bariérových povlaků.
Vzhledem k tomu, že materiály na bázi zirkonia- mají vynikající tepelnou izolaci, odolnost proti oxidaci při vysokých-teplotách, odolnost proti vysoké-teplotní korozi a relativně vysokou pevnost, staly se preferovaným materiálem pro keramickou vrstvu vysokoteplotních tepelně bariérových povlaků.
První fází vývoje tepelně bariérových povlaků na bázi zirkonia- bylo přímé použití oxidu zirkoničitého (ZrO2) jako materiálu keramické vrstvy. Rychlá fázová přeměna ZrO2 během ohřevu omezuje jeho provozní teplotu, což má za následek relativně krátkou životnost tepelné bariéry. Druhým stupněm bylo použití 6 % hmotn.~8 % hmotn. Y203 částečně stabilizovaných keramických vrstev Zr02 (YSZ). Dopování oxidem vzácných zemin Y2O3 zvýšilo teplotu fázové transformace ZrO2, zlepšilo vysokoteplotní fázovou stabilitu keramického systému a YSZ je stále celosvětově nejrozšířenějším keramickým materiálem pro tepelnou bariéru.
Jak se však provozní teploty postupně zvyšují, systém YSZ postupně odhalil svá omezení ve fázové stabilitě, odolnosti proti slinování a únavě při tepelném cyklu. Zejména v prostředí s vysokou-teplotou nad 1200 stupňů je YSZ náchylný k fázové transformaci, což vede ke strukturální křehnutí a selhání povlaku. K vyřešení těchto problémů začali výzkumníci zkoumat nové systémy keramických materiálů.
Zirkonové-prášky: první překážka pro „tepelně-izolační pancíř“ povlaků s tepelnou bariérou.
V aplikacích povlaků tepelné bariéry vykazují povlaky připravené z "prášků nanooxidu zirkonia a dutých sférických prášků oxidu zirkoničitého" vynikající výkon než tradiční mikrostrukturované povlaky.
Díky své „jedinečné mikrostruktuře“ mají nanostrukturní povlaky s tepelnou bariérou obvykle vyšší odolnost proti slinování a lepší toleranci namáhání, čímž se výrazně prodlužuje životnost povlaku. Tepelně bariérové povlaky s dutou kulovou strukturou mohou díky svým "porézním vlastnostem" účinně snížit tepelnou vodivost povlaku a poskytnout lepší tepelnou izolaci, přičemž mají také lepší stabilitu a další vlastnosti. Charakteristiky výchozího prášku oxidu zirkoničitého mají rozhodující vliv na výkon povlaku. Optimalizace stávajících procesů-výroby prášku nebo zkoumání těch dokonalejších a vývoj nových typů prášku s lepším výkonem je proto klíčovou cestou ke zlepšení výkonu povlaků s tepelnou bariérou a ke splnění požadavků pokročilých a sofistikovaných oborů.
Metody přípravy prášků používaných ve zirkoniových-vysokoteplotních{1}}tepelných bariérových nátěrech zahrnují napařování, metodu roztavené soli, metodu sol{2}}gelu, metodu homogenního srážení, hydrotermální metodu, šablonovou metodu a další. Mezi nimi zvláště pozoruhodná "hydrotermální metoda", jako metoda chemické přípravy s velkým potenciálem rozvoje, vykazuje vynikající výhody při přípravě čistých/dopovaných prášků nanooxidu zirkonia. Šablonová metoda může přesně řídit průměr a tloušťku stěny dutých kuliček výběrem templátovacích činidel různých velikostí a je účinným prostředkem k dosažení kontrolovatelné přípravy dutých kulových struktur. Sprejová pyrolýza je vhodnější pro velkosériovou-výrobu, kdy se vytvářejí duté kulové struktury v jednom kroku prostřednictvím procesů atomizace, sušení a pyrolýzy prekurzorové- řízené kapaliny.
Srovnání hlavních technologií přípravy práškových materiálů na bázi zirkonu-
Představujeme vzácné zeminy za účelem vývoje nových keramických vrstev na bázi zirkonu-pro tepelné bariéry.
Na jedné straně vylepšení stávajících tepelně bariérových nátěrových materiálů při současném dopování několika oxidy vzácných zemin -oxid ytterbia, oxid skandia, oxid gadolinia a oxid ceru- může mít zcela odlišné účinky.
Na druhou stranu se vývoj nových kompozitních prášků na bázi zirkonia- (jako jsou kompozitní systémy oxidu zirkoničitého a solí vzácných zemin) také stal důležitým směrem výzkumu.
Ve srovnání s YSZ vykazují materiály zirkonátu vzácných zemin (RE2Zr2O7) nižší tepelnou vodivost, vyšší fázovou stabilitu a lepší odolnost proti slinování, což z nich dělá klíčové kandidáty pro další generaci keramických materiálů TBC. Studie ukazují, že vynikající vlastnosti zirkoničitanů vzácných zemin mohou výrazně zlepšit účinnost tepelného šoku a životnost povlaků při tepelném cyklu. Například ve dvou-vrstvě povlaku La2Zr2O7 a 8YSZ může vnější materiál La2Zr2O7 výrazně snížit tepelnou vodivost a zvýšit počet tepelných šoků a životnost tepelné oxidace, což demonstruje synergickou výhodu „nízké tepelné vodivosti{13}}vysoké stability“.
Kromě toho se v posledních letech staly novými ohnisky výzkumu tantaláty vzácných zemin (RE2Ta2O7) a niobáty vzácných zemin (RE2Nb2O7), jakožto materiály s ultra-nízkou tepelnou vodivostí a vynikající tepelnou stabilitou. Vzhledem k jejich nízké houževnatosti je jejich použití jako nátěrových materiálů omezené. Současný výzkum se zaměřuje především na dosažení funkční komplementarity materiálů prostřednictvím vícevrstvých kompozitních struktur nebo gradientních struktur.