Termo-barijerni premazi postavljaju "toplo{0}}oklopni oklop" na metalne komponente.
U oblastima avio-motora i gasnih turbina, vječna je potraga: veća ulazna temperatura turbina. Iz tog razloga, naučnici o materijalima neprestano istražuju načine poboljšanja otpornosti turbina na visoke-temperature, a jedna od najefikasnijih metoda je nošenje "zaštitne odjeće"-prevlačenje komponenti turbine premazima koji imaju različite funkcije, čime se postižu poboljšane performanse usluge, veća pouzdanost i duži vijek trajanja.
Termalni barijerski premazi u aeromotoru (GP7200) i morfologija poprečnog{1}}presjeka tipičnog sistema termičke barijere
Trenutačno su premazi termalne barijere postali ključna potporna tehnologija za probijanje granica upotrebe metalnih materijala.
Toplotni barijerski premazi (TBC) su vrsta izolacijskog premaza koji kombinira strukturne performanse i funkcionalne karakteristike. Imaju višeslojnu strukturu poput "sendviča", koja se sastoji od keramičkog termoizolacionog sloja, metalnog veznog sloja i supstrata od superlegure. Među njima, keramički gornji sloj je osnovni funkcionalni sloj termičke barijere, koji direktno nosi termički šok, eroziju i hemijsku koroziju visokotemperaturnog plina. Odabir materijala i konstrukcijski dizajn ovog sloja direktno određuju učinak toplinske izolacije i vijek trajanja premaza.
Struktura premaza sa termičkom barijerom
Materijali na bazi cirkonija{0}} su poželjni materijali za keramički sloj visoko{1}temperaturnih termalnih barijera.
Budući da materijali na bazi cirkonijuma-imaju odlične performanse toplotne izolacije, visoku-otpornost na oksidaciju,-otpornost na koroziju na visokoj-temperaturi i relativno visoku čvrstoću, postali su poželjan materijal za keramički sloj visoko-temperaturnih toplotnih barijera.
Prva faza u razvoju termičkih barijera na bazi cirkonijuma- bila je direktna upotreba cirkonijum oksida (ZrO2) kao materijala za keramički sloj. Brza fazna transformacija ZrO2 tokom zagrijavanja ograničava njegovu radnu temperaturu, što rezultira relativno kratkim vijekom trajanja za termički barijerski premaz. Druga faza je bila upotreba 6 wt%~8wt% Y2O3 djelomično stabiliziranih ZrO2 (YSZ) keramičkih slojeva. Dopiranje oksidom rijetkih zemalja Y2O3 povećalo je temperaturu fazne transformacije ZrO2, poboljšalo-faznu stabilnost keramičkog sistema na visokim temperaturama, a YSZ je i dalje najčešće korišteni keramički materijal za oblaganje termičke barijere u svijetu.
Međutim, kako se radne temperature postepeno povećavaju, YSZ sistem je postepeno razotkrivao svoja ograničenja u faznoj stabilnosti, otpornosti na sinterovanje i performansama termičkog ciklusa zamora. Naročito u okruženjima sa visokim-temperaturama iznad 1200 stepeni, YSZ je sklon faznoj transformaciji, što dovodi do strukturne krtosti i kvara premaza. Kako bi riješili ove probleme, istraživači su počeli istraživati nove sisteme keramičkih materijala.
Puderi na bazi cirkonija{0}}: prva prepreka za "toplo{1}}izolacioni oklop" premaza za termičku barijeru.
U primjenama premaza za termičku barijeru, premazi pripremljeni od "nano cirkonij oksida u prahu i šupljih sferičnih prahova cirkonij oksida" pokazuju bolje performanse od tradicionalnih mikrostrukturiranih premaza.
Zbog svoje "jedinstvene mikrostrukture", nanostrukturirani premazi termalne barijere obično imaju veću otpornost na sinterovanje i bolju toleranciju na naprezanje, čime se značajno poboljšava vijek trajanja premaza. Šuplje sferno strukturirane termalne barijere premaze, zbog svojih "poroznih karakteristika", mogu efikasno smanjiti toplotnu provodljivost premaza i obezbediti bolju toplotnu izolaciju, a istovremeno imaju i bolju stabilnost i druge karakteristike. Karakteristike početnog praha cirkonijum oksida imaju odlučujući uticaj na performanse premaza. Stoga je optimizacija postojećih-procesa pravljenja praha ili istraživanje boljih, te razvoj novih tipova praha s boljim performansama, ključni put za poboljšanje performansi premaza za termičku barijeru i ispunjavanje zahtjeva naprednih i sofisticiranih polja.
Metode pripreme prahova koji se koriste u visokotemperaturnim termalnim barijerama na bazi cirkonija-na bazi - uključuju taloženje parom, metodu rastaljene soli, sol-gel metodu, metodu homogene precipitacije, hidrotermalnu metodu, metodu šablona i druge. Među njima, posebno vredna pažnje "hidrotermalna metoda", kao hemijska metoda pripreme sa velikim razvojnim potencijalom, pokazuje izuzetne prednosti u pripremi čistih/dopiranih nano prahova cirkonijum oksida. Metoda šablona može precizno kontrolisati prečnik i debljinu zida šupljih sfera odabirom agensa za šablone različitih veličina, i efikasno je sredstvo za postizanje kontrolisane pripreme šupljih sfernih struktura. Piroliza u spreju je pogodnija za proizvodnju velikih{6}}razmjera, formirajući šuplje sferne strukture u jednom koraku kroz procese atomizacije, sušenja i pirolize tekućine kontrolirane prekursorom{7}}.
Poređenje glavnih tehnologija pripreme praškastih materijala na bazi cirkonijuma{0}}
Predstavljamo rijetke zemlje za razvoj novih keramičkih slojeva na bazi termičke barijere na bazi cirkonijuma-.
S jedne strane, poboljšanje postojećih materijala za premazivanje termičke barijere uz istovremeno dopiranje sa više oksida rijetkih zemalja-iterbijum oksida, skandij oksida, gadolinijum oksida, cerijevog oksida-može proizvesti potpuno različite efekte.
S druge strane, razvoj novih kompozitnih prahova na bazi cirkonijuma- (kao što su kompozitni sistemi cirkonijum oksida i soli rijetkih zemalja) također je postao važan istraživački pravac.
U poređenju sa YSZ, materijali od cirkonata retkih zemalja (RE2Zr2O7) pokazuju nižu toplotnu provodljivost, veću faznu stabilnost i bolju otpornost na sinterovanje, što ih čini ključnim kandidatima za sledeću generaciju TBC keramičkih materijala. Studije pokazuju da izvrsna svojstva cirkonata rijetkih zemalja mogu značajno poboljšati performanse termičkog šoka i vijek trajanja premaza. Na primjer, u dvoslojnoj{5}}strukturi prevlake od La2Zr2O7 i 8YSZ, vanjski La2Zr2O7 materijal može značajno smanjiti toplinsku provodljivost i povećati broj termičkih šokova i vijek trajanja termičke oksidacije, demonstrirajući sinergijsku prednost "niske toplotne provodljivosti-visoke stabilnosti."
Osim toga, posljednjih godina, rijetki zemni tantalati (RE2Ta2O7) i rijetki zemni niobati (RE2Nb2O7), kao materijali sa ultra-niskom toplotnom provodljivošću i odličnom termičkom stabilnošću, postali su nova žarišta istraživanja. Zbog njihove slabe žilavosti, njihova primjena kao materijala za oblaganje je ograničena. Trenutna istraživanja se uglavnom fokusiraju na postizanje funkcionalne komplementarnosti materijala kroz višeslojne kompozitne strukture ili gradijentne strukture.