Премази са топлотном баријером постављају „топло{0}}изолациони оклоп“ на металне компоненте.
У областима авио-мотора и гасних турбина, постоји вечна потрага: више улазне температуре турбине. Из тог разлога, научници о материјалима стално истражују начине за побољшање-отпорности турбина на високе температуре, а једна од најефикаснијих метода је стављање „заштитне одеће“-превлачење компоненти турбине премазима који имају различите функције, чиме се постижу побољшане перформансе услуге, већа поузданост и дужи радни век.
Превлаке за термичку баријеру у ваздухопловном мотору (ГП7200) и морфологија{1}}попречног пресека типичног система термичке баријере
Тренутно, премази термалне баријере постали су кључна технологија подршке за пробијање граница употребе металних материјала.
Премази са топлотном баријером (ТБЦ) су врста изолационог премаза који комбинује структурне перформансе и функционалне карактеристике. Имају вишеслојну структуру попут "сендвича", која се састоји од керамичког термоизолационог слоја, металног слоја за везивање и супстрата од суперлегуре. Међу њима, керамички горњи слој је основни функционални слој топлотне баријере премаза, који директно носи топлотни удар, ерозију и хемијску корозију високотемпературног гаса -. Избор материјала и конструкцијски дизајн овог слоја директно одређују ефекат топлотне изолације и век трајања премаза.
Структура премаза са топлотном баријером
Материјали на бази цирконијума{0}}су пожељни материјали за керамички слој високо{1}температурних термалних баријера.
Будући да материјали на бази цирконијума-имају одличне перформансе топлотне изолације, високу-отпорност на оксидацију,-отпорност на корозију на високој{2}температури и релативно високу чврстоћу, постали су пожељни материјал за керамички слој високо-температурних топлотних баријера.
Прва фаза у развоју термичких баријера на бази цирконијума- била је директна употреба цирконијум оксида (ЗрО2) као материјала керамичког слоја. Брза фазна трансформација ЗрО2 током загревања ограничава његову радну температуру, што резултира релативно кратким животним веком за превлаку термалне баријере. Друга фаза је била употреба 6 теж%~8 теж% И2О3 делимично стабилизованих ЗрО2 (ИСЗ) керамичких слојева. Допирање са оксидом ретких земаља И2О3 повећало је температуру фазне трансформације ЗрО2, побољшало-фазну стабилност керамичког система на високим температурама, а ИСЗ је и даље најшире коришћени керамички материјал за облагање термичке баријере широм света.
Међутим, како се радне температуре постепено повећавају, ИСЗ систем је постепено разоткривао своја ограничења у фазној стабилности, отпорности на синтеровање и перформансама термичког циклуса замора. Нарочито у окружењима са високим{1}температурама изнад 1200 степени, ИСЗ је склон фазној трансформацији, што доводи до структурне кртости и квара премаза. Да би решили ове проблеме, истраживачи су почели да истражују нове системе керамичких материјала.
Пудери на бази цирконијума{0}}: прва препрека за „топло{1}}изолациони оклоп“ премаза за топлотну баријеру.
У применама премаза са термичком баријером, премази припремљени од "нано цирконијум оксида у праху и шупљих сферичних прахова цирконијум оксида" показују боље перформансе од традиционалних микроструктурираних премаза.
Због своје „јединствене микроструктуре“, наноструктурирани премази термалне баријере обично имају већу отпорност на синтеровање и бољу толеранцију на напрезање, чиме се значајно побољшава век трајања премаза. Шупље сферно структуриране термалне баријере премазе, због својих "порозних карактеристика", могу ефикасно смањити топлотну проводљивост премаза и обезбедити бољу топлотну изолацију, а такође имају бољу стабилност и друге карактеристике. Карактеристике почетног праха цирконијум оксида имају одлучујући утицај на перформансе премаза. Због тога је оптимизација постојећих{3}}процеса прављења праха или истраживање бољих, и развој нових типова праха са бољим перформансама, кључни пут ка побољшању перформанси премаза са термичком баријером и испуњавању захтева напредних и софистицираних области.
Методе припреме прахова који се користе у премазима са високо-термалним баријерама на бази цирконијума-укључују таложење паром, метод растопљене соли, сол-гел метод, метод хомогене преципитације, хидротермални метод, метод шаблона и друге. Међу њима, посебно вредна пажње „хидротермална метода“, као метода хемијске припреме са великим развојним потенцијалом, показује изузетне предности у припреми чистих/допираних прахова нано цирконијум оксида. Метода шаблона може прецизно контролисати пречник и дебљину зида шупљих сфера одабиром агенса за шаблоне различитих величина, и ефикасно је средство за постизање контролисане припреме шупљих сферних структура. Пиролиза у спреју је погоднија за производњу-великих размера, формирајући шупље сферне структуре у једном кораку кроз процесе атомизације, сушења и пиролизе прекурсора-контролисане течности.
Поређење главних технологија припреме прашкастих материјала на бази цирконијума{0}}
Увођење ретких земаља за развој нових керамичких слојева на бази термичке баријере{0}}на бази цирконијума.
С једне стране, побољшање постојећих материјала за премазивање термалне баријере уз истовремено допирање са више оксида ретких земаља-итбијум оксида, скандијум оксида, гадолинијум оксида, церијум оксида- може произвести потпуно различите ефекте.
С друге стране, развој нових композитних прахова на бази цирконијума- (као што су композитни системи цирконијум оксида и соли ретких земаља) такође је постао важан истраживачки правац.
У поређењу са ИСЗ, материјали од цирконата ретких земаља (РЕ2Зр2О7) показују нижу топлотну проводљивост, већу фазну стабилност и бољу отпорност на синтеровање, што их чини кључним кандидатима за следећу генерацију ТБЦ керамичких материјала. Студије показују да одлична својства цирконата ретких земаља могу значајно побољшати перформансе термичког шока и век трајања премаза. На пример, у двослојној -структури превлаке од Ла2Зр2О7 и 8ИСЗ, спољашњи Ла2Зр2О7 материјал може значајно да смањи топлотну проводљивост и повећа број топлотних шокова и век термичке оксидације, демонстрирајући синергистичку предност „ниске топлотне проводљивости-високе стабилности.
Поред тога, последњих година, танталати ретких земаља (РЕ2Та2О7) и ниобати ретких земаља (РЕ2Нб2О7), као материјали са ултра-ниском топлотном проводљивошћу и одличном термичком стабилношћу, постали су нова жаришта истраживања. Због њихове слабе жилавости, њихова примена као материјала за облагање је ограничена. Садашња истраживања се углавном фокусирају на постизање функционалне комплементарности материјала кроз вишеслојне композитне структуре или градијентне структуре.