Termal bariyer kaplamaları metal bileşenlerin üzerine "ısı-yalıtımlı bir zırh" yerleştirir.
Uçak motorları ve gaz türbinleri alanında sonsuz bir arayış var: Daha yüksek türbin giriş sıcaklıkları. Bu nedenle, malzeme bilimcileri sürekli olarak türbinlerin yüksek-sıcaklık direncini iyileştirmenin yollarını araştırıyorlar ve en etkili yöntemlerden biri "koruyucu giysiler" giymek-türbin bileşenlerini farklı işlevlere sahip kaplamalarla kaplamak, böylece daha iyi hizmet performansı, daha fazla güvenilirlik ve daha uzun hizmet ömrü elde etmektir.
Bir uçak motorundaki termal bariyer kaplamaları (GP7200) ve tipik bir termal bariyer kaplama sisteminin-kesitsel morfolojisi
Günümüzde termal bariyer kaplamalar, metal malzemelerin hizmet sınırlarını aşmak için önemli bir destekleyici teknoloji haline gelmiştir.
Termal bariyer kaplamaları (TBC'ler), yapısal performansı ve fonksiyonel özellikleri birleştiren bir tür yalıtım kaplamasıdır. Seramik ısı yalıtım katmanı, metalik bağ kaplaması ve süper alaşımlı alt tabakadan oluşan "sandviç" gibi çok katmanlı bir yapıya sahiptirler. Bunlar arasında seramik üst katman, termal bariyer kaplamanın çekirdek işlevsel katmanıdır ve yüksek- sıcaklıktaki gazın termal şokunu, erozyonunu ve kimyasal korozyonunu doğrudan taşır. Bu katmanın malzeme seçimi ve yapısal tasarımı, kaplamanın ısı yalıtım etkisini ve hizmet ömrünü doğrudan belirler.
Termal bariyer kaplama yapısı
Zirkonyum-bazlı malzemeler, yüksek-sıcaklık termal bariyer kaplamalarının seramik katmanı için tercih edilen malzemedir.
Zirkonyum-bazlı malzemeler mükemmel ısı yalıtım performansına, yüksek-sıcaklık oksidasyon direncine, yüksek-sıcaklık korozyon direncine ve nispeten yüksek mukavemete sahip olduğundan, yüksek-sıcaklık termal bariyer kaplamalarının seramik katmanı için tercih edilen malzeme haline geldiler.
Zirkonyum- bazlı termal bariyer kaplamalarının geliştirilmesindeki ilk aşama, seramik katman malzemesi olarak zirkonyum oksidin (ZrO2) doğrudan kullanılmasıydı. Isıtma sırasında ZrO2'nin hızlı faz dönüşümü, servis sıcaklığını sınırlar ve bu da termal bariyer kaplamanın nispeten kısa servis ömrüne neden olur. İkinci aşama ağırlıkça %6 ~ ağırlıkça %8 Y2O3 kısmen stabilize edilmiş ZrO2 (YSZ) seramik katmanlarının kullanılmasıydı. Nadir toprak oksit Y2O3 ile katkılama, ZrO2'nin faz dönüşüm sıcaklığını arttırdı, seramik sistemin yüksek{14}}sıcaklıktaki faz stabilitesini iyileştirdi ve YSZ hâlâ dünya çapında en yaygın kullanılan termal bariyer kaplama seramik malzemesidir.
Ancak servis sıcaklıkları kademeli olarak arttıkça YSZ sistemi, faz kararlılığı, sinterleme direnci ve termal çevrim yorulma performansındaki sınırlamalarını kademeli olarak ortaya çıkarmıştır. Özellikle 1200 derecenin üzerindeki yüksek-sıcaklık ortamlarında YSZ, faz dönüşümüne eğilimlidir ve bu da yapısal gevrekleşmeye ve kaplama arızasına yol açar. Bu sorunları çözmek için araştırmacılar yeni seramik malzeme sistemlerini keşfetmeye başladılar.
Zirkonyum-bazlı tozlar: termal bariyer kaplamaların "ısı-yalıtım zırhının" önündeki ilk engel.
Termal bariyer kaplama uygulamalarında "nano zirkonyum oksit tozları ve içi boş küresel zirkonyum oksit tozları"ndan hazırlanan kaplamalar, geleneksel mikro yapılı kaplamalara göre daha mükemmel performans sergilemektedir.
Nanoyapılı termal bariyer kaplamalar, "benzersiz mikro yapıları" nedeniyle genellikle daha yüksek sinterleme direncine ve daha iyi gerilme toleransına sahiptir, böylece kaplamanın servis ömrü önemli ölçüde artar. İçi boş küresel yapılı termal bariyer kaplamaları, "gözenekli özellikleri" nedeniyle, kaplamanın termal iletkenliğini etkili bir şekilde azaltabilir ve daha iyi termal yalıtım sağlarken aynı zamanda daha iyi stabiliteye ve diğer özelliklere sahip olabilir. Başlangıçtaki zirkonyum oksit tozunun özellikleri kaplama performansı üzerinde belirleyici bir etkiye sahiptir. Bu nedenle, mevcut toz-üretim süreçlerini optimize etmek veya daha mükemmel olanları keşfetmek ve daha iyi performansa sahip yeni toz türlerini geliştirmek, termal bariyer kaplamaların performansını artırmanın ve gelişmiş ve karmaşık alanların gereksinimlerini karşılamanın temel yoludur.
Zirkonyum-bazlı yüksek-sıcaklık termal bariyer kaplamalarında kullanılan tozlar için hazırlama yöntemleri arasında buhar biriktirme, erimiş tuz yöntemi, sol-jel yöntemi, homojen çökeltme yöntemi, hidrotermal yöntem, şablon yöntemi ve diğerleri yer alır. Bunlar arasında, büyük gelişme potansiyeline sahip bir kimyasal hazırlama yöntemi olarak özellikle dikkat çeken "hidrotermal yöntem", saf/katkılı nano zirkonyum oksit tozlarının hazırlanmasında olağanüstü avantajlar göstermektedir. Şablon yöntemi, farklı boyutlardaki şablonlama maddelerini seçerek içi boş kürelerin çapını ve duvar kalınlığını hassas bir şekilde kontrol edebilir ve içi boş küresel yapıların kontrol edilebilir şekilde hazırlanmasını sağlamanın etkili bir yoludur. Sprey pirolizi büyük-ölçekli üretim için daha uygundur; öncü-kontrollü bir sıvının atomizasyon, kurutma ve piroliz işlemleri yoluyla tek adımda içi boş küresel yapılar oluşturur.
Zirkonyum-bazlı toz malzemeler için ana hazırlama teknolojilerinin karşılaştırılması
Yeni zirkonyum-tabanlı termal bariyerli seramik katmanlar geliştirmek için nadir toprak elementlerinin tanıtılması.
Bir yandan, mevcut termal bariyer kaplama malzemelerini iyileştirirken aynı anda birden fazla nadir toprak oksit ({0}}iterbiyum oksit, skandiyum oksit, gadolinyum oksit, seryum oksit- ile katkı yapmak tamamen farklı etkiler yaratabilir.
Öte yandan, yeni zirkonyum-bazlı kompozit tozların (zirkonyum oksit ve nadir toprak tuzlarından oluşan kompozit sistemler gibi) geliştirilmesi de önemli bir araştırma yönü haline geldi.
YSZ ile karşılaştırıldığında, nadir toprak zirkonat (RE2Zr2O7) malzemeleri daha düşük termal iletkenlik, daha yüksek faz stabilitesi ve daha iyi sinterleme direnci sergiler ve bu da onları yeni nesil TBC seramik malzemeleri için temel aday haline getirir. Araştırmalar, nadir toprak zirkonatlarının mükemmel özelliklerinin, kaplamaların termal şok performansını ve termal döngü ömrünü önemli ölçüde artırabildiğini göstermektedir. Örneğin, La2Zr2O7 ve 8YSZ'nin çift-katmanlı kaplama yapısında, dış La2Zr2O7 malzemesi, termal iletkenliği önemli ölçüde azaltabilir ve termal şokların sayısını ve termal oksidasyon ömrünü artırabilir, bu da "düşük termal iletkenlik-yüksek stabilite"nin sinerjik avantajını ortaya koyar.
Ayrıca son yıllarda, ultra-düşük termal iletkenliğe ve mükemmel termal kararlılığa sahip malzemeler olarak nadir toprak tantalatlar (RE2Ta2O7) ve nadir toprak niyobatları (RE2Nb2O7) yeni araştırma sıcak noktaları haline geldi. Tokluklarının zayıf olması nedeniyle kaplama malzemesi olarak uygulamaları sınırlıdır. Mevcut araştırmalar temel olarak çok katmanlı kompozit yapılar veya gradyan yapılar aracılığıyla malzemelerin işlevsel tamamlayıcılığını sağlamaya odaklanmaktadır.