ציפוי מחסום תרמי מעמיד "שריון מבודד-חום" על רכיבי מתכת.
בתחומי מנועי האוויר וטורבינות הגז, ישנו מרדף נצחי: טמפרטורות כניסת טורבינה גבוהות יותר. מסיבה זו, מדעני חומרים בוחנים כל הזמן דרכים לשיפור עמידות הטורבינות-הגבוהות לטמפרטורות, ואחת השיטות היעילות ביותר היא ללבוש "ביגוד מגן"-לציפוי רכיבי טורבינה עם ציפויים בעלי פונקציות שונות, ובכך להשיג ביצועי שירות משופרים, אמינות רבה יותר וחיי שירות ארוכים יותר.
ציפוי מחסום תרמי במנוע אווירי (GP7200) ומורפולוגיה -חתך של מערכת ציפוי מחסום תרמי טיפוסי
נכון לעכשיו, ציפוי מחסום תרמי הפך לטכנולוגיה תומכת מרכזית לפריצת מגבלות השירות של חומרי מתכת.
ציפוי מחסום תרמי (TBCs) הם סוג של ציפוי מבודד המשלב ביצועים מבניים ומאפיינים פונקציונליים. יש להם מבנה רב-שכבתי כמו "סנדוויץ'", המורכב משכבת בידוד תרמי קרמי, מעיל קשר מתכתי ומצע סגסוגת-על. בין אלה, השכבה העליונה הקרמית היא שכבת הליבה הפונקציונלית של ציפוי המחסום התרמי, הנושאת ישירות את ההלם התרמי, השחיקה והקורוזיה הכימית של גז בטמפרטורה גבוהה-. בחירת החומרים והעיצוב המבני של שכבה זו קובעים ישירות את אפקט הבידוד התרמי ואת חיי השירות של הציפוי.
מבנה ציפוי מחסום תרמי
חומרים על בסיס-זירקוניום הם החומר המועדף לשכבת הקרמיקה של ציפוי מחסום תרמי בטמפרטורה-גבוהה.
מכיוון שלחומרים המבוססים על-זירקוניום יש ביצועי בידוד תרמי מעולים, עמידות חמצון-בטמפרטורה גבוהה, עמידות בפני קורוזיה-בטמפרטורה גבוהה וחוזק גבוה יחסית, הם הפכו לחומר המועדף עבור השכבה הקרמית של ציפוי מחסום תרמי בטמפרטורה-גבוהה.
השלב הראשון בפיתוח של ציפוי מחסום תרמי על בסיס-זירקוניום היה השימוש הישיר בתחמוצת זירקוניום (ZrO2) כחומר השכבה הקרמית. שינוי הפאזה המהיר של ZrO2 במהלך החימום מגביל את טמפרטורת השירות שלו, וכתוצאה מכך חיי שירות קצרים יחסית לציפוי המחסום התרמי. השלב השני היה שימוש בשכבות קרמיקה ZrO2 (YSZ) מיוצבות חלקית של 6% ~8% משקל Y2O3. סימום עם תחמוצת האדמה הנדירה Y2O3 העלה את טמפרטורת טרנספורמציה הפאזית של ZrO2, שיפר את יציבות הפאזה-בטמפרטורה הגבוהה של המערכת הקרמית, ו-YSZ הוא עדיין החומר הקרמי לציפוי מחסום תרמי בשימוש הנפוץ ביותר ברחבי העולם.
עם זאת, ככל שטמפרטורות השירות עולות בהדרגה, מערכת ה-YSZ חשפה בהדרגה את מגבלותיה ביציבות הפאזה, עמידות הסינטרה וביצועי עייפות רכיבה תרמית. במיוחד בסביבות-טמפרטורות גבוהות מעל 1200 מעלות, YSZ נוטה לשינוי פאזה, מה שמוביל להתפרקות מבנית ולכשל בציפוי. כדי לפתור בעיות אלה, חוקרים החלו לחקור מערכות חומר קרמי חדשות.
אבקות המבוססות על-זירקוניום: המכשול הראשון עבור "שריון בידוד חום-" של ציפוי מחסום תרמי.
ביישומי ציפוי מחסום תרמי, ציפויים שהוכנו מ"אבקות תחמוצת זירקוניום ננו ואבקות תחמוצת זירקוניום כדוריות חלולות" מציגים ביצועים מצוינים יותר מאשר ציפויים מיקרו-מובנים מסורתיים.
בגלל ה"מיקרו-מבנה הייחודי" שלהם, ציפויי מחסום תרמיים בעלי ננו-מבנה הם בדרך כלל בעלי עמידות גבוהה יותר לסינטינג וסובלנות טובה יותר למתח, ובכך משפרים משמעותית את חיי השירות של הציפוי. ציפוי מחסום תרמי בעל מבנה כדורי חלול, בגלל "המאפיינים הנקבוביים" שלהם, יכולים להפחית ביעילות את המוליכות התרמית של הציפוי ולספק בידוד תרמי טוב יותר, תוך שהם גם בעלי יציבות טובה יותר ומאפיינים אחרים. למאפיינים של אבקת תחמוצת הזירקוניום הראשונית יש השפעה מכרעת על ביצועי הציפוי. לכן, אופטימיזציה של תהליכי ייצור אבקה קיימים- או חקר תהליכים מצוינים יותר, ופיתוח סוגים חדשים של אבקה עם ביצועים טובים יותר, הם נתיב מפתח לשיפור הביצועים של ציפוי מחסום תרמי ועמידה בדרישות של תחומים מתקדמים ומתוחכמים.
שיטות ההכנה לאבקות המשמשות בציפוי מחסום תרמי-על בסיס-זירקוניום גבוהות כוללות שקיעת אדים, שיטת מלח מותך, שיטת סול-ג'ל, שיטת משקעים הומוגנית, שיטה הידרותרמית, שיטת תבנית ועוד. ביניהם, "השיטה ההידרותרמית" הראויה לציון במיוחד, כשיטת הכנה כימית בעלת פוטנציאל פיתוח רב, מציגה יתרונות בולטים בהכנת אבקות תחמוצת ננו זירקוניום טהורות/מסוממות. שיטת התבנית יכולה לשלוט במדויק על הקוטר ועובי הדופן של כדורים חלולים על ידי בחירת סוכני תבנית בגדלים שונים, ומהווה אמצעי יעיל להשגת הכנה ניתנת לשליטה של מבנים כדוריים חלולים. פירוליזה בתרסיס מתאימה יותר לייצור-בקנה מידה גדול, ויוצרת מבנים כדוריים חלולים בשלב אחד באמצעות תהליכי האטומיזציה, ייבוש ופירוליזה של נוזל מבוקר-.
השוואה בין טכנולוגיות הכנה עיקריות לחומרי אבקה על בסיס-זירקוניום
הצגת כדורי אדמה נדירים לפיתוח שכבות קרמיות חדשות על בסיס-זירקוניום.
מצד אחד, שיפור חומרי ציפוי מחסום תרמי קיימים תוך סימום בו-זמנית עם תחמוצות אדמה נדירות מרובות-תחמוצת איטרביום, תחמוצת סקנדיום, תחמוצת גדוליניום, תחמוצת צריום- עשויה לייצר השפעות שונות לחלוטין.
מצד שני, פיתוח אבקות מרוכבות חדשות על בסיס-זירקוניום (כגון מערכות מרוכבות של תחמוצת זירקוניום ומלחי אדמה נדירים) הפך גם הוא לכיוון מחקר חשוב.
בהשוואה ל-YSZ, חומרי זירקונט אדמה נדירים (RE2Zr2O7) מציגים מוליכות תרמית נמוכה יותר, יציבות פאזה גבוהה יותר ועמידות טובה יותר לסינטרינג, מה שהופך אותם למועמדים הליבה עבור הדור הבא של חומרים קרמיים TBC. מחקרים מראים שהמאפיינים המצוינים של זירקונטים של אדמה נדירים יכולים לשפר משמעותית את ביצועי ההלם התרמי ואת חיי המחזור התרמיים של ציפויים. לדוגמה, במבנה הציפוי הכפול- של La2Zr2O7 ו-8YSZ, החומר החיצוני של La2Zr2O7 יכול להפחית באופן משמעותי את המוליכות התרמית ולהגדיל את מספר הזעזועים התרמיים ואת חיי החמצון התרמי, מה שמוכיח את היתרון הסינרגי של "מוליכות תרמית נמוכה- יציבות גבוהה".
בנוסף, בשנים האחרונות, טנטלטים של אדמה נדירה (RE2Ta2O7) וניובטים של אדמה נדירה (RE2Nb2O7), כחומרים בעלי מוליכות תרמית נמוכה במיוחד ויציבות תרמית מעולה, הפכו למוקדי מחקר חדשים. בגלל הקשיחות הגרועה שלהם, היישום שלהם כחומרי ציפוי מוגבל. המחקר הנוכחי מתמקד בעיקר בהשגת השלמה פונקציונלית של חומרים באמצעות מבנים מרוכבים מרובי שכבתיים או מבנים שיפועים.