Lớp phủ cách nhiệt tạo ra một "lớp giáp cách nhiệt" trên các bộ phận kim loại.
Trong lĩnh vực động cơ máy bay và tua bin khí, luôn có một mục tiêu theo đuổi: nhiệt độ đầu vào tuabin cao hơn. Vì lý do này, các nhà khoa học vật liệu không ngừng khám phá các cách để cải thiện-khả năng chịu nhiệt độ cao của tuabin và một trong những phương pháp hiệu quả nhất là mặc "quần áo bảo hộ"-phủ các bộ phận của tuabin bằng lớp phủ có chức năng khác nhau, từ đó đạt được hiệu suất vận hành được cải thiện, độ tin cậy cao hơn và tuổi thọ dài hơn.
Lớp phủ cách nhiệt trong động cơ máy bay (GP7200) và hình thái mặt cắt-của hệ thống lớp phủ cách nhiệt điển hình
Hiện nay, lớp phủ rào cản nhiệt đã trở thành công nghệ hỗ trợ quan trọng để vượt qua giới hạn sử dụng của vật liệu kim loại.
Lớp phủ rào cản nhiệt (TBC) là một loại lớp phủ cách nhiệt kết hợp hiệu suất cấu trúc và đặc tính chức năng. Chúng có cấu trúc nhiều lớp giống như một chiếc bánh sandwich, bao gồm lớp cách nhiệt bằng gốm, lớp phủ liên kết kim loại và chất nền siêu hợp kim. Trong số này, lớp gốm trên cùng là lớp chức năng cốt lõi của lớp phủ cách nhiệt, chịu trực tiếp sốc nhiệt, xói mòn và ăn mòn hóa học của khí-có nhiệt độ cao. Việc lựa chọn vật liệu và thiết kế kết cấu của lớp này quyết định trực tiếp đến hiệu quả cách nhiệt và tuổi thọ của lớp phủ.
Cấu trúc lớp phủ rào cản nhiệt
Vật liệu gốc zirconi-là vật liệu được ưu tiên dùng cho lớp gốm của lớp phủ cách nhiệt-ở nhiệt độ cao.
Vì vật liệu làm từ zirconi-có hiệu suất cách nhiệt tuyệt vời,-khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao, khả năng chống ăn mòn ở nhiệt độ-cao và độ bền tương đối cao nên chúng đã trở thành vật liệu được ưu tiên cho lớp gốm có lớp phủ cách nhiệt-ở nhiệt độ cao.
Giai đoạn đầu tiên trong quá trình phát triển lớp phủ cách nhiệt dựa trên zirconi{0}}là việc sử dụng trực tiếp oxit zirconi (ZrO2) làm vật liệu lớp gốm. Sự biến đổi pha nhanh chóng của ZrO2 trong quá trình gia nhiệt làm hạn chế nhiệt độ sử dụng của nó, dẫn đến tuổi thọ sử dụng tương đối ngắn đối với lớp phủ chắn nhiệt. Giai đoạn thứ hai là sử dụng các lớp gốm ZrO2 (YSZ) có nồng độ 6 wt%~8 wt% Y2O3 được ổn định một phần. Việc pha tạp oxit đất hiếm Y2O3 đã làm tăng nhiệt độ biến đổi pha của ZrO2, cải thiện độ ổn định pha ở nhiệt độ cao của hệ thống gốm sứ và YSZ vẫn là vật liệu gốm phủ rào cản nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất trên toàn thế giới.
Tuy nhiên, khi nhiệt độ sử dụng tăng dần, hệ thống YSZ dần bộc lộ những hạn chế về độ ổn định pha, khả năng chống thiêu kết và hiệu suất mỏi của chu trình nhiệt. Đặc biệt là trong môi trường có nhiệt độ-cao trên 1200 độ, YSZ dễ bị biến đổi pha, dẫn đến hiện tượng giòn cấu trúc và hỏng lớp phủ. Để giải quyết những vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu khám phá các hệ thống vật liệu gốm sứ mới.
Bột làm từ zirconium{0}}: rào cản đầu tiên đối với "áo giáp cách nhiệt" của lớp phủ cách nhiệt.
Trong các ứng dụng lớp phủ rào cản nhiệt, lớp phủ được điều chế từ "bột oxit zirconium nano và bột oxit zirconium hình cầu rỗng" thể hiện hiệu suất tuyệt vời hơn so với lớp phủ có cấu trúc vi mô truyền thống.
Do có "cấu trúc vi mô độc đáo", lớp phủ rào cản nhiệt có cấu trúc nano thường có khả năng chống thiêu kết cao hơn và khả năng chịu biến dạng tốt hơn, từ đó cải thiện đáng kể tuổi thọ của lớp phủ. Lớp phủ cách nhiệt có cấu trúc hình cầu rỗng, nhờ "đặc tính xốp" của chúng, có thể làm giảm hiệu quả tính dẫn nhiệt của lớp phủ và mang lại khả năng cách nhiệt tốt hơn, đồng thời có độ ổn định và các đặc tính khác tốt hơn. Các đặc tính của bột oxit zirconium ban đầu có ảnh hưởng quyết định đến hiệu suất của lớp phủ. Do đó, việc tối ưu hóa các quy trình sản xuất bột-hiện có hoặc khám phá những quy trình xuất sắc hơn cũng như phát triển các loại bột mới có hiệu suất tốt hơn là con đường then chốt để cải thiện hiệu suất của lớp phủ cách nhiệt và đáp ứng yêu cầu của các lĩnh vực tiên tiến và phức tạp.
Các phương pháp điều chế bột được sử dụng trong lớp phủ rào cản nhiệt ở nhiệt độ cao-dựa trên zirconi-bao gồm lắng đọng hơi, phương pháp muối nóng chảy, phương pháp gel sol-, phương pháp kết tủa đồng nhất, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp mẫu và các phương pháp khác. Trong số đó, “phương pháp thủy nhiệt” đặc biệt đáng chú ý, là phương pháp điều chế hóa học có tiềm năng phát triển lớn, cho thấy những ưu điểm vượt trội trong việc điều chế bột oxit nano zirconium tinh khiết/pha tạp. Phương pháp mẫu có thể kiểm soát chính xác đường kính và độ dày thành của các quả cầu rỗng bằng cách chọn các tác nhân tạo khuôn có kích thước khác nhau và là phương tiện hiệu quả để đạt được sự chuẩn bị có thể kiểm soát được của các cấu trúc hình cầu rỗng. Phương pháp nhiệt phân phun phù hợp hơn cho sản xuất-quy mô lớn, hình thành các cấu trúc hình cầu rỗng trong một bước thông qua quá trình nguyên tử hóa, sấy khô và nhiệt phân của chất lỏng được kiểm soát-tiền chất.
So sánh các công nghệ điều chế chính cho vật liệu bột gốc zirconium
Giới thiệu đất hiếm để phát triển các lớp gốm cách nhiệt-dựa trên zirconi mới.
Một mặt, việc cải thiện các vật liệu phủ rào cản nhiệt hiện có đồng thời pha tạp nhiều oxit đất hiếm-ytterbium oxit, scandium oxit, gadolinium oxit, xeri oxit-có thể tạo ra những hiệu ứng hoàn toàn khác nhau.
Mặt khác, việc phát triển các loại bột tổng hợp mới dựa trên zirconium{0}}(như hệ thống tổng hợp oxit zirconium và muối đất hiếm) cũng đã trở thành một hướng nghiên cứu quan trọng.
So với YSZ, vật liệu zirconate đất hiếm (RE2Zr2O7) có độ dẫn nhiệt thấp hơn, độ ổn định pha cao hơn và khả năng chống thiêu kết tốt hơn, khiến chúng trở thành ứng cử viên cốt lõi cho thế hệ vật liệu gốm TBC tiếp theo. Các nghiên cứu cho thấy các đặc tính tuyệt vời của zirconat đất hiếm có thể cải thiện đáng kể hiệu suất sốc nhiệt và tuổi thọ chu trình nhiệt của lớp phủ. Ví dụ: trong cấu trúc lớp phủ-kép của La2Zr2O7 và 8YSZ, vật liệu La2Zr2O7 bên ngoài có thể làm giảm đáng kể độ dẫn nhiệt và tăng số lần sốc nhiệt cũng như tuổi thọ oxy hóa nhiệt, thể hiện lợi thế tổng hợp của "độ dẫn nhiệt thấp{13}}độ ổn định cao".
Ngoài ra, trong những năm gần đây, tantalate đất hiếm (RE2Ta2O7) và niobates đất hiếm (RE2Nb2O7), là những vật liệu có độ dẫn nhiệt cực thấp và độ ổn định nhiệt tuyệt vời, đã trở thành điểm nóng nghiên cứu mới. Do độ dẻo dai kém nên ứng dụng của chúng làm vật liệu phủ bị hạn chế. Nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào việc đạt được sự bổ sung chức năng của vật liệu thông qua cấu trúc hỗn hợp nhiều lớp hoặc cấu trúc gradient.