Els recobriments de barrera tèrmica posen una "armadura-aïllant de calor" als components metàl·lics.
En els camps dels motors aerodinàmics i les turbines de gas, hi ha una recerca eterna: temperatures més altes a l'entrada de la turbina. Per aquest motiu, els científics de materials estan explorant constantment maneres de millorar la-resistència a altes temperatures de les turbines, i un dels mètodes més efectius és posar-se "roba protectora"-revestint els components de la turbina amb recobriments que tenen diferents funcions, aconseguint així un millor rendiment del servei, una major fiabilitat i una vida útil més llarga.
Recobriments de barrera tèrmica en un motor aerodinàmic (GP7200) i la morfologia de la-secció transversal d'un sistema de recobriment de barrera tèrmica típic
Actualment, els recobriments de barrera tèrmica s'han convertit en una tecnologia de suport clau per superar els límits de servei dels materials metàl·lics.
Els recobriments de barrera tèrmica (TBC) són un tipus de recobriment aïllant que combina el rendiment estructural i les característiques funcionals. Tenen una estructura multicapa com un "entrepà", que consisteix en una capa d'aïllament tèrmic ceràmic, una capa d'enllaç metàl·lic i un substrat de superaliatge. Entre aquests, la capa superior de ceràmica és la capa funcional bàsica del recobriment de barrera tèrmica, que suporta directament el xoc tèrmic, l'erosió i la corrosió química del gas d'-alta temperatura. La selecció de materials i el disseny estructural d'aquesta capa determinen directament l'efecte d'aïllament tèrmic i la vida útil del recobriment.
Estructura de recobriment de barrera tèrmica
Els materials basats en-zirconi són el material preferit per a la capa ceràmica dels recobriments de barrera tèrmica d'alta-temperatura.
Com que els materials basats en -zirconi tenen un excel·lent rendiment d'aïllament tèrmic, una resistència a l'oxidació a alta-temperatura, una resistència a la corrosió a alta-temperatura i una resistència relativament alta, s'han convertit en el material preferit per a la capa ceràmica dels recobriments de barrera tèrmica d'alta-temperatura.
La primera etapa en el desenvolupament de recobriments de barrera tèrmica basats en zirconi-va ser l'ús directe d'òxid de zirconi (ZrO2) com a material de la capa ceràmica. La ràpida transformació de fase de ZrO2 durant l'escalfament limita la seva temperatura de servei, donant lloc a una vida útil relativament curta per al recobriment de barrera tèrmica. La segona etapa va ser l'ús de capes ceràmiques de ZrO2 (YSZ) parcialment estabilitzades d'un 6% en pes ~ 8% en pes d'Y2O3. El dopatge amb l'òxid de terres rares Y2O3 va augmentar la temperatura de transformació de fase de ZrO2, va millorar l'estabilitat de fase a alta -temperatura del sistema ceràmic i YSZ segueix sent el material ceràmic de recobriment de barrera tèrmica més utilitzat a tot el món.
Tanmateix, a mesura que les temperatures de servei augmenten gradualment, el sistema YSZ ha exposat gradualment les seves limitacions en l'estabilitat de fase, la resistència a la sinterització i el rendiment de la fatiga del cicle tèrmic. Especialment en entorns d'alta-temperatura superior a 1.200 graus , YSZ és propens a la transformació de fase, la qual cosa condueix a la fragilitat estructural i a la fallada del recobriment. Per resoldre aquests problemes, els investigadors han començat a explorar nous sistemes de materials ceràmics.
Pols a base de-zirconi: el primer obstacle per a l'"armadura-aïllant de calor" dels recobriments de barrera tèrmica.
En aplicacions de recobriment de barrera tèrmica, els recobriments preparats a partir de "pols d'òxid de zirconi nano i pols d'òxid de zirconi esfèric buit" presenten un rendiment més excel·lent que els recobriments microestructurats tradicionals.
A causa de la seva "microestructura única", els recobriments de barrera tèrmica nanoestructurats solen tenir una major resistència a la sinterització i una millor tolerància a la tensió, millorant així significativament la vida útil del recobriment. Els recobriments de barrera tèrmica d'estructura esfèrica buida, a causa de les seves "característiques poroses", poden reduir eficaçment la conductivitat tèrmica del recobriment i proporcionar un millor aïllament tèrmic, alhora que tenen una millor estabilitat i altres característiques. Les característiques de la pols d'òxid de zirconi inicial tenen una influència decisiva en el rendiment del recobriment. Per tant, optimitzar els processos-de fabricació de pols existents o explorar-ne de més excel·lents, i desenvolupar nous tipus de pols amb un millor rendiment, és un camí clau per millorar el rendiment dels recobriments de barrera tèrmica i satisfer els requisits dels camps avançats i sofisticats.
Els mètodes de preparació de pols utilitzats en recobriments de barrera tèrmica d'alta temperatura-a base de zirconi-inclouen la deposició de vapor, el mètode de sal fosa, el mètode de sol-gel, el mètode de precipitació homogènia, el mètode hidrotermal, el mètode de plantilla i altres. Entre ells, el "mètode hidrotèrmic" especialment destacable, com a mètode de preparació química amb un gran potencial de desenvolupament, mostra avantatges destacats en la preparació de pols d'òxid de zirconi nano pur/dopat. El mètode de plantilla pot controlar amb precisió el diàmetre i el gruix de la paret de les esferes buides seleccionant agents de plantilla de diferents mides, i és un mitjà eficaç per aconseguir una preparació controlable d'estructures esfèriques buides. La piròlisi per polvorització és més adequada per a la producció a gran-escala, formant estructures esfèriques buides en un sol pas mitjançant els processos d'atomització, assecat i piròlisi d'un líquid controlat-precursor.
Comparació de les principals tecnologies de preparació de materials en pols-de zirconi
Introducció de terres rares per desenvolupar noves capes ceràmiques de barrera tèrmica-basades en zirconi.
D'una banda, millorar els materials de recobriment de barrera tèrmica existents alhora que es dopen amb diversos òxids de terres rares-òxid d'itterbi, òxid d'escandi, òxid de gadolini, òxid de ceri-pot produir efectes completament diferents.
D'altra banda, el desenvolupament de nous pols compostos-de zirconi (com ara sistemes compostos d'òxid de zirconi i sals de terres rares) també s'ha convertit en una adreça important de recerca.
En comparació amb YSZ, els materials de zirconat de terres rares (RE2Zr2O7) presenten una menor conductivitat tèrmica, una major estabilitat de fase i una millor resistència a la sinterització, cosa que els converteix en candidats bàsics per a la propera generació de materials ceràmics TBC. Els estudis demostren que les excel·lents propietats dels zirconats de terres rares poden millorar significativament el rendiment del xoc tèrmic i la vida útil del cicle tèrmic dels recobriments. Per exemple, a l'estructura de recobriment de doble-capa de La2Zr2O7 i 8YSZ, el material exterior La2Zr2O7 pot reduir significativament la conductivitat tèrmica i augmentar el nombre de xocs tèrmics i la vida d'oxidació tèrmica, demostrant l'avantatge sinèrgic de la "baixa conductivitat tèrmica-alta estabilitat".
A més, en els últims anys, els tantats de terres rares (RE2Ta2O7) i els niòbats de terres rares (RE2Nb2O7), com a materials amb una conductivitat tèrmica ultra-baixa i una excel·lent estabilitat tèrmica, s'han convertit en nous punts d'investigació. A causa de la seva poca duresa, la seva aplicació com a materials de recobriment és limitada. La investigació actual se centra principalment a aconseguir la complementarietat funcional dels materials mitjançant estructures compostes multicapa o estructures de gradient.