สารเคลือบป้องกันความร้อนใส่ "เกราะป้องกันความร้อน-" บนส่วนประกอบที่เป็นโลหะ
ในด้านเครื่องยนต์อากาศยานและกังหันก๊าซ มีการแสวงหาสิ่งที่ไม่สิ้นสุด: อุณหภูมิขาเข้าของกังหันที่สูงขึ้น ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุจึงค้นหาวิธีปรับปรุง-ความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงของกังหันอยู่ตลอดเวลา และวิธีหนึ่งที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดคือการสวม "ชุดป้องกัน"-ในการเคลือบส่วนประกอบของกังหันด้วยสารเคลือบที่มีฟังก์ชันที่แตกต่างกัน ส่งผลให้ประสิทธิภาพการบริการดีขึ้น ความน่าเชื่อถือมากขึ้น และอายุการใช้งานยาวนานขึ้น
การเคลือบแผงกั้นความร้อนในเครื่องยนต์อากาศยาน (GP7200) และสัณฐานวิทยาหน้าตัด-ของระบบการเคลือบแผงกั้นความร้อนทั่วไป
ปัจจุบัน การเคลือบแผงกั้นความร้อนได้กลายเป็นเทคโนโลยีสนับสนุนหลักในการก้าวข้ามขีดจำกัดการบริการของวัสดุโลหะ
การเคลือบกั้นความร้อน (TBC) เป็นการเคลือบฉนวนชนิดหนึ่งที่ผสมผสานประสิทธิภาพของโครงสร้างและลักษณะการทำงานเข้าด้วยกัน พวกเขามีโครงสร้างหลายชั้นเช่น "แซนวิช" ซึ่งประกอบด้วยชั้นฉนวนความร้อนเซรามิก ชั้นเคลือบพันธะโลหะ และซับสเตรตซูเปอร์อัลลอยด์ ในจำนวนนี้ ชั้นบนสุดเซรามิกเป็นชั้นการทำงานหลักของการเคลือบแผงกั้นความร้อน ซึ่งรับผลกระทบโดยตรงจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบฉับพลัน การกัดเซาะ และการกัดกร่อนทางเคมีของก๊าซที่มีอุณหภูมิสูง- การเลือกใช้วัสดุและการออกแบบโครงสร้างของชั้นนี้จะกำหนดผลกระทบของฉนวนความร้อนและอายุการใช้งานของสารเคลือบโดยตรง
โครงสร้างการเคลือบกั้นความร้อน
วัสดุที่ทำจากเซอร์โคเนียม-เป็นวัสดุที่ต้องการสำหรับชั้นเซรามิกของการเคลือบแผงกั้นความร้อนที่อุณหภูมิสูง-
เนื่องจากวัสดุที่ทำจากเซอร์โคเนียม-มีประสิทธิภาพเป็นฉนวนความร้อนที่ดีเยี่ยม มี-ความต้านทานการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง -ความต้านทานการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง และมีความแข็งแรงสูงค่อนข้างสูง วัสดุเหล่านี้จึงกลายเป็นวัสดุที่ต้องการสำหรับชั้นเซรามิกของสารเคลือบป้องกันความร้อนที่อุณหภูมิสูง-
ขั้นตอนแรกในการพัฒนาสารเคลือบป้องกันความร้อนที่ใช้เซอร์โคเนียม-คือการใช้เซอร์โคเนียมออกไซด์ (ZrO2) โดยตรงเป็นวัสดุชั้นเซรามิก การเปลี่ยนแปลงเฟสอย่างรวดเร็วของ ZrO2 ในระหว่างการทำความร้อนจะจำกัดอุณหภูมิการใช้งาน ส่งผลให้การเคลือบแผงกั้นความร้อนมีอายุการใช้งานสั้น ขั้นตอนที่สองคือการใช้ชั้นเซรามิก ZrO2 (YSZ) เสถียรบางส่วน Y2O3 6 wt%~8 wt% การเติมด้วยแรร์เอิร์ธออกไซด์ Y2O3 จะเพิ่มอุณหภูมิการเปลี่ยนเฟสของ ZrO2 ปรับปรุง-ความเสถียรของเฟสอุณหภูมิสูงของระบบเซรามิก และ YSZ ยังคงเป็นวัสดุเซรามิกเคลือบป้องกันความร้อนที่ใช้กันอย่างแพร่หลายทั่วโลก
อย่างไรก็ตาม เมื่ออุณหภูมิบริการค่อยๆ เพิ่มขึ้น ระบบ YSZ ก็ค่อยๆ เผยให้เห็นข้อจำกัดในด้านเสถียรภาพของเฟส ความต้านทานการเผาผนึก และประสิทธิภาพความล้าจากการหมุนเวียนเนื่องจากความร้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง-ที่สูงกว่า 1200 องศา YSZ มีแนวโน้มที่จะเกิดการเปลี่ยนแปลงเฟส ซึ่งนำไปสู่การเปราะของโครงสร้างและความล้มเหลวในการเคลือบ เพื่อแก้ปัญหาเหล่านี้ นักวิจัยได้เริ่มสำรวจระบบวัสดุเซรามิกใหม่ๆ
ผงที่ทำจากเซอร์โคเนียม-: อุปสรรคแรกสำหรับ "เกราะป้องกันความร้อน-" ของการเคลือบแผงกั้นความร้อน
ในการใช้งานการเคลือบกั้นความร้อน การเคลือบที่เตรียมจาก "ผงนาโนเซอร์โคเนียมออกไซด์และผงเซอร์โคเนียมออกไซด์ทรงกลมกลวง" จะแสดงประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมมากกว่าการเคลือบที่มีโครงสร้างจุลภาคแบบดั้งเดิม
เนื่องจาก "โครงสร้างจุลภาคที่เป็นเอกลักษณ์" สารเคลือบป้องกันความร้อนที่มีโครงสร้างนาโนจึงมีความต้านทานการเผาผนึกสูงกว่าและทนทานต่อความเครียดได้ดีกว่า จึงช่วยปรับปรุงอายุการใช้งานของสารเคลือบได้อย่างมาก การเคลือบแผงกั้นความร้อนที่มีโครงสร้างทรงกลมกลวง เนื่องจากมี "คุณลักษณะที่มีรูพรุน" จึงสามารถลดการนำความร้อนของสารเคลือบได้อย่างมีประสิทธิภาพ และให้ฉนวนกันความร้อนที่ดีกว่า ขณะเดียวกันก็มีเสถียรภาพที่ดีขึ้นและคุณลักษณะอื่นๆ ลักษณะของผงเซอร์โคเนียมออกไซด์ตั้งต้นมีอิทธิพลอย่างมากต่อประสิทธิภาพการเคลือบ ดังนั้น การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการสร้างผงที่มีอยู่-หรือการสำรวจกระบวนการที่ยอดเยี่ยมยิ่งขึ้น และการพัฒนาผงชนิดใหม่ที่มีประสิทธิภาพดีขึ้น ถือเป็นเส้นทางสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพของการเคลือบป้องกันความร้อน และตอบสนองความต้องการของสาขาขั้นสูงและซับซ้อน
วิธีการเตรียมผงที่ใช้ในการเคลือบป้องกันความร้อนที่อุณหภูมิสูง-โดยใช้เซอร์โคเนียม- ได้แก่ การสะสมของไอ วิธีเกลือหลอมเหลว วิธีโซล- วิธีเจล การตกตะกอนที่เป็นเนื้อเดียวกัน วิธีไฮโดรเทอร์มอล วิธีเทมเพลต และอื่นๆ ในบรรดาวิธีเหล่านั้น "วิธีไฮโดรเทอร์มอล" ที่น่าสังเกตเป็นพิเศษซึ่งเป็นวิธีการเตรียมสารเคมีที่มีศักยภาพในการพัฒนาสูง แสดงให้เห็นข้อได้เปรียบที่โดดเด่นในการเตรียมผงนาโนเซอร์โคเนียมออกไซด์บริสุทธิ์/เจือปน วิธีการเทมเพลตสามารถควบคุมเส้นผ่านศูนย์กลางและความหนาของผนังของทรงกลมกลวงได้อย่างแม่นยำโดยการเลือกสารเทมเพลตที่มีขนาดต่างกัน และเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการเตรียมโครงสร้างทรงกลมกลวงที่ควบคุมได้ สเปรย์ไพโรไลซิสเหมาะสำหรับ-การผลิตขนาดใหญ่ โดยสร้างโครงสร้างทรงกลมกลวงในขั้นตอนเดียวผ่านกระบวนการแยกเป็นอะตอม การทำแห้ง และกระบวนการไพโรไลซิสของของเหลวควบคุมสารตั้งต้น-
การเปรียบเทียบเทคโนโลยีการเตรียมหลักสำหรับวัสดุผงที่ทำจากเซอร์โคเนียม-
การแนะนำธาตุหายากเพื่อพัฒนาชั้นเซรามิกเซอร์โคเนียม{0}}ที่ใช้เซอร์โคเนียมใหม่
ในด้านหนึ่ง การปรับปรุงวัสดุเคลือบป้องกันความร้อนที่มีอยู่ในขณะเดียวกันก็เติมด้วยแรร์เอิร์ธออกไซด์หลายตัวพร้อมกัน-อิตเทอร์เบียมออกไซด์ สแกนเดียมออกไซด์ แกโดลิเนียมออกไซด์ ซีเรียมออกไซด์-อาจทำให้เกิดผลที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง
ในทางกลับกัน การพัฒนาผงคอมโพสิตที่ใช้เซอร์โคเนียม{0}}ใหม่ (เช่น ระบบคอมโพสิตของเซอร์โคเนียมออกไซด์และเกลือของธาตุหายาก) ก็กลายเป็นทิศทางการวิจัยที่สำคัญเช่นกัน
เมื่อเปรียบเทียบกับ YSZ แล้ว วัสดุแรร์เอิร์ธเซอร์โคเนต (RE2Zr2O7) มีค่าการนำความร้อนต่ำกว่า ความเสถียรของเฟสสูงกว่า และความต้านทานการเผาผนึกที่ดีกว่า ทำให้วัสดุเหล่านี้เป็นตัวเลือกหลักสำหรับวัสดุเซรามิก TBC รุ่นต่อไป การศึกษาแสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติที่ดีเยี่ยมของเซอร์โคเนตของธาตุหายากสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและอายุการหมุนเวียนของสารเคลือบได้อย่างมีนัยสำคัญ ตัวอย่างเช่น ในโครงสร้างการเคลือบสองชั้น-ของ La2Zr2O7 และ 8YSZ วัสดุ La2Zr2O7 ภายนอกสามารถลดการนำความร้อนลงได้อย่างมาก และเพิ่มจำนวนการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบฉับพลันและอายุการเกิดออกซิเดชันจากความร้อน ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความได้เปรียบในการทำงานร่วมกันของ "การนำความร้อนต่ำ-ความเสถียรสูง"
นอกจากนี้ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แทนทาเลตของธาตุหายาก (RE2Ta2O7) และไนโอเบตของธาตุหายาก (RE2Nb2O7) ซึ่งเป็นวัสดุที่มีค่าการนำความร้อนต่ำเป็นพิเศษ-และความเสถียรทางความร้อนที่ดีเยี่ยม ได้กลายเป็นจุดสนใจในการวิจัยใหม่ เนื่องจากมีความเหนียวต่ำ การใช้งานเป็นวัสดุเคลือบจึงมีจำกัด การวิจัยในปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่การเสริมการทำงานของวัสดุเป็นหลักผ่านโครงสร้างคอมโพสิตหลายชั้นหรือโครงสร้างไล่ระดับสี