Lämmönestopinnoitteet asettavat metalliosille "lämpöä{0}}eristävän panssarin".
Lentomoottoreiden ja kaasuturbiinien alalla on ikuinen pyrkimys: korkeammat turbiinin tulolämpötilat. Tästä syystä materiaalitutkijat etsivät jatkuvasti tapoja parantaa turbiinien korkean-lämpötilan kestävyyttä, ja yksi tehokkaimmista tavoista on pukea "suojavaatetus"-turbiinin komponenttien päälle pinnoitteilla, joilla on erilaisia toimintoja. Näin saavutetaan parempi palvelusuorituskyky, suurempi luotettavuus ja pidempi käyttöikä.
Lämpösulkupinnoitteet lentokoneen moottorissa (GP7200) ja tyypillisen lämpösulkupinnoitusjärjestelmän poikkileikkauksen morfologia-
Tällä hetkellä lämpösulkupinnoitteista on tullut keskeinen tukiteknologia metallimateriaalien käyttörajojen ylittämisessä.
Lämpösulkupinnoitteet (TBC:t) ovat eristäviä pinnoitteita, joissa yhdistyvät rakenteellinen suorituskyky ja toiminnalliset ominaisuudet. Niissä on monikerroksinen rakenne, kuten "sandwich", joka koostuu keraamisesta lämmöneristyskerroksesta, metallisesta sidospinnoitteesta ja superseossubstraatista. Näistä keraaminen pintakerros on lämpösulkupinnoitteen toiminnallinen ydinkerros, joka kestää suoraan korkean lämpötilan kaasun lämpöshokin, eroosion ja kemiallisen korroosion. Tämän kerroksen materiaalivalinnat ja rakennesuunnittelu määräävät suoraan pinnoitteen lämmöneristyskyvyn ja käyttöiän.
Lämpösulkupinnoiterakenne
Zirkonium{0}}pohjaiset materiaalit ovat ensisijainen materiaali korkean lämpötilan-lämpösulkupinnoitteiden keraamiselle kerrokselle.
Koska zirkonium{0}}pohjaisilla materiaaleilla on erinomainen lämmöneristyskyky, korkea-lämpötilojen hapettumisenkestävyys, korkea-lämpökorroosionkestävyys ja suhteellisen korkea lujuus, niistä on tullut suositeltu materiaali korkean lämpötilan lämpösulkupinnoitteiden keraamiseen kerrokseen.
Ensimmäinen vaihe zirkonium{0}}pohjaisten lämpösulkupinnoitteiden kehittämisessä oli zirkoniumoksidin (ZrO2) suora käyttö keraamisen kerroksen materiaalina. ZrO2:n nopea faasimuutos lämmityksen aikana rajoittaa sen käyttölämpötilaa, mikä johtaa suhteellisen lyhyeen lämpösulkupinnoitteen käyttöikään. Toisessa vaiheessa käytettiin 6 paino--8 painoprosenttia Y2O3:a osittain stabiloituja ZrO2 (YSZ) keraamisia kerroksia. Harvinaisen maametallin Y2O3:n seostus nosti ZrO2:n faasimuutoslämpötilaa, paransi keraamisen järjestelmän korkean lämpötilan faasistabiilisuutta, ja YSZ on edelleen maailmanlaajuisesti eniten käytetty lämpösulkupinnoitekeraaminen materiaali.
Kuitenkin, kun käyttölämpötilat nousevat vähitellen, YSZ-järjestelmä on vähitellen paljastanut rajoituksensa vaiheen stabiilisuudessa, sintrausvastuksessa ja lämpösyklin väsymissuorituskyvyssä. Erityisesti korkeissa-lämpötiloissa, yli 1200 astetta, YSZ on altis faasimuutokselle, mikä johtaa rakenteelliseen haurastumiseen ja pinnoitteen epäonnistumiseen. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi tutkijat ovat alkaneet tutkia uusia keraamisia materiaalijärjestelmiä.
Zirkonium-pohjaiset jauheet: ensimmäinen este lämpösulkupinnoitteiden "lämpöä{1}}eristävälle haarniskalle".
Lämpösulkupinnoitussovelluksissa "nano-zirkoniumoksidijauheista ja ontoista pallomaisista zirkoniumoksidijauheista" valmistetuilla pinnoitteilla on parempi suorituskyky kuin perinteiset mikrorakenteiset pinnoitteet.
"Ainutlaatuisen mikrorakenteensa" vuoksi nanorakenteisilla lämpösulkupinnoitteilla on yleensä korkeampi sintrauskestävyys ja parempi muodonmuutossietokyky, mikä parantaa merkittävästi pinnoitteen käyttöikää. Ontot pallomaiset rakenteelliset lämpösulkupinnoitteet voivat "huokoisten ominaisuuksiensa" vuoksi vähentää tehokkaasti pinnoitteen lämmönjohtavuutta ja tarjota paremman lämmöneristyksen, samalla kun niillä on parempi vakaus ja muut ominaisuudet. Alkuperäisen zirkoniumoksidijauheen ominaisuuksilla on ratkaiseva vaikutus pinnoitteen suorituskykyyn. Siksi olemassa olevien jauheen valmistusprosessien optimointi-tai erinomaisten prosessien tutkiminen ja uudentyyppisten jauheiden kehittäminen, joiden suorituskyky on parempi, on keskeinen tapa parantaa lämpösulkupinnoitteiden suorituskykyä ja täyttää edistyneiden ja kehittyneiden alojen vaatimukset.
Zirkonium{0}}pohjaisissa korkean lämpötilan-lämpösulkupinnoitteissa käytettävien jauheiden valmistusmenetelmiä ovat höyrypinnoitus, sulasuolamenetelmä, sooli-geelimenetelmä, homogeeninen saostusmenetelmä, hydroterminen menetelmä, mallimenetelmä ja muut. Niistä erityisen huomionarvoinen "hydroterminen menetelmä" kemiallisena valmistusmenetelmänä, jolla on suuri kehityspotentiaali, osoittaa erinomaisia etuja puhtaiden/seostettujen nanozirkoniumoksidijauheiden valmistuksessa. Mallimenetelmällä voidaan tarkasti ohjata onttojen pallojen halkaisijaa ja seinämän paksuutta valitsemalla erikokoisia malleja, ja se on tehokas keino saavuttaa onttojen pallomaisten rakenteiden hallittava valmistus. Sumutuspyrolyysi soveltuu paremmin suuren mittakaavan tuotantoon, jolloin muodostuu onttoja pallomaisia rakenteita yhdessä vaiheessa esiasteohjatun nesteen sumutus-, kuivaus- ja pyrolyysiprosessien kautta.
Zirkonium{0}}pohjaisten jauhemateriaalien tärkeimpien valmistustekniikoiden vertailu
Esittelyssä harvinaiset maametallit uusien zirkonium{0}}pohjaisten lämpösulkukeraamisten kerrosten kehittämiseksi.
Toisaalta olemassa olevien lämpösulkupinnoitemateriaalien parantaminen samalla kun doping useilla harvinaisten maametallien oksideilla -ytterbiumoksidilla, skandiumoksidilla, gadoliniumoksidilla, ceriumoksidilla-voi saada aikaan täysin erilaisia vaikutuksia.
Toisaalta uusien zirkonium{0}}pohjaisten komposiittijauheiden (kuten zirkoniumoksidin ja harvinaisten maametallien suolojen komposiittijärjestelmien) kehittämisestä on myös tullut tärkeä tutkimussuunta.
YSZ:ään verrattuna harvinaisten maametallien zirkonaattimateriaaleilla (RE2Zr2O7) on alhaisempi lämmönjohtavuus, korkeampi faasistabiilisuus ja parempi sintrausvastus, mikä tekee niistä keskeisiä ehdokkaita seuraavan sukupolven TBC-keraamisille materiaaleille. Tutkimukset osoittavat, että harvinaisten maametallien zirkonaattien erinomaiset ominaisuudet voivat parantaa merkittävästi pinnoitteiden lämpöshokkisuorituskykyä ja lämpökierto-ikää. Esimerkiksi La2Zr2O7:n ja 8YSZ:n kaksikerroksisessa pinnoiterakenteessa ulompi La2Zr2O7-materiaali voi vähentää merkittävästi lämmönjohtavuutta ja lisätä lämpöiskujen määrää ja lämpöhapetuksen kestoa, mikä osoittaa "alhaisen lämmönjohtavuuden-korkean stabiilisuuden synergistisen edun."
Lisäksi viime vuosina harvinaisten maametallien tantalaateista (RE2Ta2O7) ja harvinaisten maametallien niobaateista (RE2Nb2O7), materiaaleina, joilla on erittäin alhainen lämmönjohtavuus ja erinomainen lämmönkestävyys, on tullut uusia tutkimuskohteita. Niiden huonon sitkeyden vuoksi niiden käyttö pinnoitusmateriaaleina on rajoitettua. Nykyinen tutkimus keskittyy pääasiassa materiaalien toiminnallisen täydentävyyden saavuttamiseen monikerroksisten komposiittirakenteiden tai gradienttirakenteiden avulla.