Soojustõkkekatted panevad metallosadele "soojust{0}}isoleeriva soomuse".
Lennumootorite ja gaasiturbiinide valdkonnas on igavene püüdlus: turbiinide sisselaskeavade kõrgem temperatuur. Seetõttu uurivad materjaliteadlased pidevalt viise, kuidas parandada turbiinide kõrget-temperatuurikindlust. Üks tõhusamaid meetodeid on panna selga "kaitseriietus"-katta turbiini komponente erineva funktsiooniga katetega, et saavutada parem tööjõudlus, suurem töökindlus ja pikem kasutusiga.
Soojustõkkekatted lennukimootoris (GP7200) ja tüüpilise soojusbarjääri kattesüsteemi{1}}ristlõike morfoloogia
Praegu on termotõkkekatted muutunud peamiseks tugitehnoloogiaks metallmaterjalide kasutuspiirangute ületamiseks.
Termobarjäärkatted (TBC) on teatud tüüpi isoleerivad katted, mis ühendavad konstruktsiooni jõudluse ja funktsionaalsed omadused. Neil on mitmekihiline struktuur nagu "võileib", mis koosneb keraamilisest soojusisolatsioonikihist, metallist sidekihist ja supersulamist aluspinnast. Nende hulgas on keraamiline pealiskiht termotõkkekatte põhifunktsionaalne kiht, mis kannab otseselt kõrge temperatuuriga gaasi termilist šokki, erosiooni ja keemilist korrosiooni. Selle kihi materjalide valik ja konstruktsiooniline disain määravad otseselt katte soojusisolatsiooniefekti ja kasutusea.
Soojustõkke katte struktuur
Tsirkooniumi{0}}põhised materjalid on eelistatud materjalid kõrgtemperatuursete termotõkkekatete keraamilise kihi jaoks.
Kuna tsirkooniumi{0}}põhistel materjalidel on suurepärane soojusisolatsioonivõime, kõrge -temperatuuri oksüdatsioonikindlus, kõrge -temperatuuri korrosioonikindlus ja suhteliselt kõrge tugevus, on neist saanud eelistatud materjal kõrgtemperatuursete soojustõkkekatete keraamilise kihi jaoks.
Tsirkoonium{0}}põhiste termotõkkekatete väljatöötamise esimene etapp oli tsirkooniumoksiidi (ZrO2) otsene kasutamine keraamilise kihi materjalina. ZrO2 kiire faasimuutus kuumutamise ajal piirab selle töötemperatuuri, mille tulemuseks on soojustõkkekatte suhteliselt lühike kasutusiga. Teises etapis kasutati 6 massiprotsenti ~ 8 massiprotsenti Y2O3 osaliselt stabiliseeritud ZrO2 (YSZ) keraamilisi kihte. Haruldase muldmetalli oksiidiga Y2O3 doping tõstis ZrO2 faasimuutuse temperatuuri, parandas keraamilise süsteemi kõrgel{14}}temperatuuri faasi stabiilsust ja YSZ on endiselt maailmas kõige laialdasemalt kasutatav termotõkkekatte materjal.
Kuna aga kasutustemperatuurid järk-järgult tõusevad, on YSZ-süsteem järk-järgult paljastanud oma piirangud faasi stabiilsuse, paagutamistakistuse ja termilise tsükli väsimuse osas. Eriti kõrgel-temperatuuriga keskkondades, mis on üle 1200 kraadi, on YSZ altid faasimuutustele, mis põhjustab konstruktsiooni haprust ja katte purunemist. Nende probleemide lahendamiseks on teadlased hakanud uurima uusi keraamiliste materjalide süsteeme.
Tsirkoonium-põhised pulbrid: esimene takistus termotõkkekatete soojusisolatsiooni{1}}soomuse loomisel.
Termobarjääri katmise rakendustes on "nanotsirkooniumoksiidi pulbritest ja õõnsatest sfäärilistest tsirkooniumoksiidi pulbritest" valmistatud katted suurepärasemad kui traditsioonilised mikrostruktureeritud katted.
Tänu oma "unikaalsele mikrostruktuurile" on nanostruktuuriga termobarjääridel tavaliselt suurem paagutamiskindlus ja parem deformatsioonitaluvus, parandades seeläbi oluliselt katte kasutusiga. Õõnes sfäärilise struktuuriga termotõkkekatted võivad oma "poorsete omaduste" tõttu tõhusalt vähendada katte soojusjuhtivust ja tagada parema soojusisolatsiooni, omades samal ajal paremat stabiilsust ja muid omadusi. Esialgse tsirkooniumoksiidi pulbri omadused mõjutavad katte toimivust otsustavalt. Seetõttu on olemasolevate pulbritootmisprotsesside optimeerimine-või suurepärasemate protsesside uurimine ja uute parema jõudlusega pulbritüüpide väljatöötamine võtmeteeks termotõkkekatete jõudluse parandamiseks ning arenenud ja keerukate valdkondade nõuete täitmiseks.
Tsirkoonium-põhistes kõrgtemperatuurilistes-termobarjäärides kasutatavate pulbrite valmistamismeetodid hõlmavad aurude sadestamist, sulasoola meetodit, sool-geelmeetodit, homogeense sadestamise meetodit, hüdrotermilist meetodit, malli meetodit ja muud. Nende hulgas on eriti tähelepanuväärne "hüdrotermiline meetod" kui suure arengupotentsiaaliga keemiline valmistamismeetod, millel on silmapaistvad eelised puhta / legeeritud nanotsirkooniumoksiidi pulbrite valmistamisel. Malli meetod võimaldab täpselt reguleerida õõnsate sfääride läbimõõtu ja seina paksust, valides erineva suurusega malliaineid, ning see on tõhus vahend õõnsate sfääriliste struktuuride kontrollitava ettevalmistamise saavutamiseks. Pihustuspürolüüs sobib paremini suuremahuliseks tootmiseks, moodustades ühes etapis õõnsad sfäärilised struktuurid eelkäija-juhitava vedeliku pihustamise, kuivatamise ja pürolüüsi protsesside kaudu.
Tsirkooniumi{0}}põhiste pulbermaterjalide peamiste valmistamistehnoloogiate võrdlus
Haruldaste muldmetallide tutvustamine uute tsirkooniumi{0}}põhiste termilise barjääri keraamiliste kihtide väljatöötamiseks.
Ühest küljest võib olemasolevate termilise barjääri kattematerjalide täiustamine samaaegselt mitme haruldaste muldmetallide oksiidiga -ütterbiumoksiidi, skandiumoksiidi, gadoliiniumoksiid, tseeriumoksiid- anda täiesti erinevaid efekte.
Teisest küljest on oluliseks uurimissuunaks muutunud ka uute tsirkoonium{0}}põhiste komposiitpulbrite (nt tsirkooniumoksiidi ja haruldaste muldmetallide soolade komposiitsüsteemide) väljatöötamine.
Võrreldes YSZ-ga on haruldaste muldmetallide tsirkonaat (RE2Zr2O7) materjalidel madalam soojusjuhtivus, suurem faasistabiilsus ja parem paagutamiskindlus, mistõttu on need põhikandidaadid järgmise põlvkonna TBC keraamiliste materjalide jaoks. Uuringud näitavad, et haruldaste muldmetallide tsirkonaatide suurepärased omadused võivad oluliselt parandada katete termilise šoki jõudlust ja termilise tsükli eluiga. Näiteks La2Zr2O7 ja 8YSZ kahe{5}kihilise kattestruktuuri puhul võib välimine La2Zr2O7 materjal oluliselt vähendada soojusjuhtivust ning suurendada termiliste šokkide arvu ja termilise oksüdatsiooni eluiga, mis näitab "madala soojusjuhtivusega{13}}kõrge stabiilsuse sünergilist eelist."
Lisaks on viimastel aastatel uuteks uurimispunktideks muutunud haruldaste muldmetallide tantalaadid (RE2Ta2O7) ja haruldaste muldmetallide niobaadid (RE2Nb2O7), mis on ülimadala soojusjuhtivuse ja suurepärase termilise stabiilsusega materjalid. Nende vähese sitkuse tõttu on nende kasutamine kattematerjalina piiratud. Praegused uuringud keskenduvad peamiselt materjalide funktsionaalse komplementaarsuse saavutamisele mitmekihiliste komposiitstruktuuride või gradientstruktuuride kaudu.