Yüksek entropi nadir toprak termal bariyer kaplama malzemelerinin geliştirilmesi eğilimi
Havacılık motorlarında, gaz türbinlerinde, roket motorlarında ve hipersonik uçaklarda artan performans talebi ile, yüksek sıcaklık dirençli, yüksek yalıtım ve uzun ömürlü kaplamaların geliştirilmesi, yüksek sıcaklık termal bariyer alanında bir araştırma hotspot'u haline geldi. kaplamalar. Termal bariyer kaplamalar (TBC'ler), gelişmiş gaz türbin motorlarının çekirdek sıcak uç bileşeni olan yüksek basınçlı türbin bıçakları için önemli bir teknolojidir. Havacılık motorlarında ve yer gazı türbinlerinde başarıyla uygulanan TBC'lerin seramik yalıtım tabakası malzemesi, yttria stabilize zirkonya (YSZ). Yüksek sıcaklık stabilitesi ve termal yalıtım performansı gibi sınırlamalar nedeniyle, YSZ artık yeni nesil uçak motorlarının geliştirme gereksinimlerini karşılayamıyor. Bu nedenle, son on yılda, yerli ve yabancı araştırmacılar yeni termal bariyer kaplama seramik malzemeleri, hazırlık süreçleri, performans karakterizasyonu ve performans tahmini hakkında kapsamlı ve derinlemesine araştırma yapmıştır.
Termal bariyer kaplama, termal verimliliği ve itmeyi iyileştirmek için, uçak motoru türbin bıçaklarının yüzeyinde düşük termal iletkenlik, korozyon direnci ve iyi yüksek sıcaklık faz stabilitesi ile seramik malzemelerin kaplanmasıyla geliştirilen bir yüzey koruma teknolojisidir. ağırlık oranı. Yüksek erime noktası, düşük termal iletkenlik, yüksek sıcaklık faz yapısı stabilitesi ve güçlü kimyasal stabilite özelliklerine sahiptir. Şekil 1'de gösterilen geleneksel ve yaygın olarak kullanılan termal bariyer kaplama sistemi, esas olarak yüzeyde bir seramik tabakadan, oksidasyon reaksiyonu ile üretilen termal olarak yetiştirilen bir oksit (TGO) tabakasından ve bir bağ tabakasından oluşur.
Şekil 1 Termal bariyer kaplama yapısının şematik diyagramı
Yüksek entropi termal bariyer kaplama seramik malzemeleri, orijinal malzeme yapısına dayanır ve yüksek entropi tasarımı nedeniyle malzemenin belirli özelliklerini geliştiren ve termal bariyer kaplama kullanımının gereksinimlerini daha iyi karşılayan özel atomik bölgelerde yerel yüksek entropi tasarımı getirir.
Şu anda, yüksek entropi termal bariyer kaplama seramik malzemelerindeki yüksek entropi tasarımlarının çoğu esas olarak nadir toprak elemanlarına dayanmaktadır. Bunun nedeni, lantanid elemanlarının, kararlı tek fazlı katı çözeltiler oluşturmaya ve malzemelerin kapsamlı performansını düzenleme amacına ulaşmaya daha elverişli olan küçük atomik boyut farklılıkları ve benzer özelliklerin özelliklerine sahip olmasıdır. Yüksek entropi termal bariyer kaplama seramik malzemelerinin termal iletkenliğindeki azalma önemli bir eğilimdir ve termal genleşme performansı ve kırılma tokluğu da bir dereceye kadar kontrol edilebilir. Gelecek nesil için yüksek itme / ağırlık oranı ve düşük yakıt tüketim oranına sahip yüksek performanslı havacılık motorlarının geliştirme ihtiyaçlarını karşılamak için yeni nesil termal bariyer kaplama seramikleri için sonsuz bir aday malzeme akışı vardır. Yüksek entropi nadir toprak zirkonatları, yüksek entropi nadir toprak tantalatları ve yüksek entropi nadir toprak oksitler, gelecekteki yeni termal bariyer kaplama seramik tabakaları için büyük potansiyele sahip birkaç temsili malzemedir.
Termal bariyer kaplama seramik tabaka malzemeleri üzerine yapılan araştırma esas olarak dört yöne odaklanmaktadır: YSZ doping modifikasyonu, A2B2O7 tipi bileşikler, perovskit yapısı ve yüksek entropi seramik malzemeleri.
(1) YSZ Doping Modifikasyonu
Doping elemanının tipine göre, Şekil 2'de gösterildiği gibi, tek eleman ve çok elemanlı dopinge ayrılabilir. . Sc 3+ 'dan y 3+ ile iyonik yarıçap yavaş yavaş arttıkça stabilite artar; La 3+ iyonlarına y 3+ yarıçapı artmaya devam ettikçe stabilite azalır. Ek olarak, Al, HF, TA vb. Gibi nadir olmayan toprak elementleri, modifikasyon için doping stabilizatörleri olarak da kullanılır.
Çok elementli bir doping, faz stabilitesini ve sinterleme direncini iyileştirmek ve termal iletkenliği azaltmak gibi seramik malzemelerin performansını artırabilir. Bu nedenle, çok element co doping, YSZ modifikasyon araştırmasının odağıdır. Bununla birlikte, katkılı eleman iyonlarının yarıçapı boyutu, fiyat aralığı ve içeriği üzerinde bir etkisi olacaktır ve malzemenin kendisinin sınırlamaları nedeniyle doping, kapsamlı performansını iyileştirme sınırına yaklaşmaktadır.
(2) A2B2O7 bileşiği
A2B2O7 (A=La/nd/nd/sm/gd/dy/er/yb gibi nadir toprak elemanları, b=ce, zr, vb.) Tip oksitler güçlü ısı direnci, iyi yüksek- Sıcaklık fazı stabilitesi ve termal bariyer kaplamalar için birden fazla seçenek sağlayan çeşitli A, B ve O tipleri. Tablo 2, farklı A2B2O7 yapılarının termal iletkenlik ve termal genleşme katsayısını göstermektedir. YSZ ile karşılaştırıldığında, termal iletkenlikteki önemli azalma nedeniyle bir araştırma sıcak noktası haline gelmiştir. Bununla birlikte, uygulaması termal genleşme katsayısındaki küçük değişiklik ve zayıf eşleştirme performansı ile sınırlıdır.
Şekil 2 Nadir toprak zirkonatının termal iletkenlik ve termal genleşme katsayısı
(3) perovskit yapısı
Perovskite yapılandırılmış malzemeler, yüksek sıcaklıklarda stabil performans ve düşük termal iletkenlik gibi mükemmel özelliklere sahip olan Abo3 (a=la/ba/ca, b=sc, cr, vb.) Tip yapılarıdır. onları yeni termal bariyer kaplamalar için potansiyel adaylar haline getiriyor. ABO3 bileşiklerinde, AO bağı Bo bağından daha zayıftır ve A ve B atomlarının elektronları çekme yeteneği ne kadar yakın olursa, teorik termal iletkenlik o kadar düşük olur ve hasara karşı direnç o kadar iyi olur. Ejaz ve ark. 1273 K'da Cazro3'ün termal genleşme katsayısı 12.4 × {{1 {28}}}} k -1, 1 {{{3 0} {{{{}} } .2 × 10-6 K -1. Cazro3, daha yüksek bir termal genleşme katsayısına, daha düşük termal iletkenliğe ve daha iyi yüksek sıcaklık faz stabilitesine sahiptir. Ma Bole ve ark. SRZRO3'ün termal iletkenliğinin yavaş yavaş azaldığını ve termal stabilitesinin, Şekil 3'te gösterildiği gibi 1600 derecesinde 100 saat ile 360 saat arasında iyi olduğunu ölçtü. Ayrıca, nadir toprak elemanları yb, y vb. sekonder faz oluşumunun neden olduğu yüksek termal strese ve strese dayanabilen ve kaplamanın termal döngü ömrünü önemli ölçüde iyileştirebilen sütun ve gözenekli yapı elde edilebilir. Ma ve ark. Oda sıcaklığından 1400 dereceye ve 1450 dereceye kadar iyi faz stabilitesi sergileyen SR (ZR0.9Y0.05YB0.05) O2.95 elde etmek için DOPED YB2O3 ve Y2O3, SR (ZR0.9Y0.05YB0.05) O2.95 ve termal iletkenlik, SRZRO3'e kıyasla% 30 azaldı. tüm sıcaklık aralığı. Genel olarak, ABO3'ün termal iletkenliği nispeten düşüktür ve dopingin neden olduğu yapısal değişiklikler de termal iletkenliği azaltabilir.
Şekil 3 SRZRO3 kaplamasının termal iletkenlik ve termal difüzyon katsayısı eğrileri, 1600 derecesinde farklı ısıl işlem süreleri sonrası
4) Yüksek entropi seramik malzemeleri
Yüksek entropi seramik malzemeleri, çok ana eleman yüksek entropi alaşımı tarafından tasarlanan tek fazlı seramik sistemlerdir. Genellikle, beş veya daha fazla metal iyonu aynı kütleye sahip çok bileşenli katı çözeltiler halinde sentezlenir. Kompozisyon özellikleri nedeniyle, bu malzemenin dört çekirdek etkisi vardır: termodinamik yüksek entropi, kafes bozulması, gecikmiş difüzyon ve performans "kokteyl", çok çeşitli uygulama beklentileri ile son derece katı, sert ve düşük termal iletkenlik sağlar. Yüksek entropi seramik malzeme sistemi esas olarak, benzer özellikleri nedeniyle kararlı tek fazlı katı çözeltiler oluşturmak ve performans optimizasyonunu kolaylaştıran nadir toprak elemanlarından oluşur. Yüksek entropi seramik malzemeleri üzerine yapılan araştırma esas olarak aşağıdaki altı kategoriye odaklanmaktadır: nadir toprak tantalatları, silikatlar, alüminatlar, zirkonyum/hafnium oksitler, fosfatlar ve oksitler. Performans parametrelerinin karşılaştırılması Şekil 4'te gösterilmektedir. Karşılaştırma, zirkonatın en iyi termal iletkenliğe sahip olduğunu gösterirken, alüminat en kötüsü; Kırık tokluğu açısından, yüksek entropi nadir toprak oksitlerinin önemli avantajları vardır. Çoğu yüksek entropi seramik malzemeleri düşük termal iletkenliğe, iyi yüksek sıcaklık faz stabilitesine ve güçlü sinterleme direncine sahiptir, ancak kendi dezavantajlarını ele almak için hala iyileştirmelere ihtiyaç vardır.
Şekil 4 Birkaç yüksek entropi seramik malzemesinin özelliklerinin karşılaştırılması
4.1 Yüksek Entropi Nadir Toprak Tantalat
Tantalum/niobat, yüksek erime noktası, ferroelastik sertleştirme, vb. Avantajlarına sahiptir. Bu nedenle, yüksek entropi nadir toprak tantal/niobat, son derece umut verici bir termal bariyer kaplama malzemesi olarak kabul edilir ve araştırmacılardan yaygın bir dikkat çekmiştir. Wang ve ark. Hazırlanan yüksek entropi nadir toprak tantalat (y {{0}}}. 2ce 0. 2sm 0. 2gd 0. 2dy 0}. 2) tao4 ( (5re 0. 2) TAO4) ve faz yapısını, termofiziksel ve mekanik özellikleri inceledi. (5RE {0. 2) TAO4'ün termal iletkenliği, sıcaklık aralığı boyunca YSZ'den daha düşük olan 1.2W · m -1 · k -1 · k -1 · k -1 8YSZ (3. 0 5 MPa · M1/2). 12 0 0 derecesinde, termal genleşme katsayısı 1 0. 3 × 10-6 · k -1 ve kaplama iyi gerinim kapasitesine sahiptir. Zhao ve ark. Katı hal sentez yöntemi ile hazırlanan yüksek entropi nadir toprak tantalat, 1 0 termal genişleme katsayısı ile 8 × 10-6 · k -1 (12 {67}}}} {{69 }} derece) ve 1 0 'ye kadar vickers sertliği {{4 {73}}}}}}}}}. 0}} derecesi. Zhu ve ark. katı hal reaksiyonu yoluyla beş element yüksek entropi nadir toprak niobat (dy0.2y0.2ho0.2er0.2yb0.2) 3NBO7 sentezlendi. SEM sonuçları, 5re3NBO7'nin tek fazlı bir florit yapısı katı çözeltisi olduğunu ve beş elementin katı çözeltiye eşit olarak dağıtıldığını gösterdi; 1200 derecede, malzemenin termal genleşme katsayısı ve oda sıcaklığı termal iletkenliği, yaygın olarak kullanılan YSZ kaplamalarına kıyasla büyük ölçüde geliştirilmiştir, 2.13MPa · M1/2 kırık tokluğu ve 9.51gPa sertliği ile. Wang Jun ve ark. Yüksek sıcaklıkta katı hal reaksiyon yöntemi kullanılarak sentezlenmiş (y0.2dy0.2SM0.2YB0.2er0.2) TAO4. Sonuçlar Şekil 5'te gösterilmiştir. (5R0.2) TAO4, düşük termal iletkenliğe (1.68 W · M -1 · k -1900}}} derecesi) ve yüksek termal genleşme katsayısı (10.0 × {10-6 · K -1, 1200 derece). Eşsiz ferroelastik sertleştirme etkisi nedeniyle (5R0.2) TAO4, yüksek kırık tokluğuna (2.6 MPa · M1/2), düşük elastik modül (80GPA) ve kırılganlık indeksi (2.1μm -1/2), Termal şok ve termal genleşme uyumsuzluğunun ortaya çıkmasını büyük ölçüde azaltın. Bu çalışmalar, yüksek entropi nadir toprak tantalat/niobatın son derece umut verici bir termal bariyer kaplama malzemesi olduğunu göstermektedir.
Şekil 5 Termal iletkenlik ve termal genleşme katsayısı (5RE 0. 2) TAO4
4.2 Yüksek entropi nadir toprak alüminat
Yüksek entropi nadir toprak alüminat tasarımı, düşük CTE'nin dezavantajlarını ve malzemenin yüksek termal iletkenliğini artırabilir. Zhao ve ark. Hazırlanan (y {{{0}}. 2nd 0. 2 sm 0. 9. 0 2 × 10-6 · k -1 ve oda sıcaklığı termal iletkenliği ile termal genleşme katsayısı 9. } 12 0 0 derecesi. Chen ve ark. Hazırlanan (y 0. 2yb 0. 2LU 0. 2eu 0. 2er {{5 0}}}. Genişleme katsayısı (8.54 ± 0.29) 10-6 · k -1 ({{39} k), 3.81w · m {-1 · k {{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{43 }} ve iyi faz stabilitesi. Zhao ve ark. Hazırlanan (ND0.2SM0.2EU0.2Y0.2YB0.2) 4Al2O9 ve malzemenin termal özellikleri test edildi. Sonuçlar, malzemenin oda sıcaklığı termal iletkenliğinin 1.50W · m -1} k -1300 ~ 1473K olduğunu ve termal genişleme katsayısının 6.96 × 10-6 · k {{65 olduğunu gösterdi. }}, iyi faz stabilitesi ile.
4.3 Yüksek Entropi Nadir Toprak Zirkonyum/Hafnium Tuzları
Li ve ark. Hazırlanmış ve çalışılmış (y {{{0}}. Katı hal reaksiyon yöntemi. Termal iletkenlik, 300-1200 derecesinde {{19} · m - 1 · k - 1'in altındaydı ve malzeme sinterleme direnci ve termal stabilite testlerinde iyi performans gösterdi. (Y 0. 2gd 0. 2dy 0. 2 er 0. 2yb 0}. 2) 2HF2O7 Cong ve d. Termal iletkenlik 0. 73-0. 93 w · m - 1 · k - 1 ve bir termal genişleme katsayısı (1 0}. 68 × 1 0 - 6 · K - 111 0 0}}} Derecesi YSZ'den daha düşük. 13 0 0 derecesinde AL2O3 ile güçlü faz stabilitesi ve iyi kimyasal uyumluluk sergiler. Zhao ve ark. Hazırlanan (y 0. 25yb 0. 25er 0. 25 lu 0. 25) 2 (Zr 0. 5HF 0. 5 ) 2O7, oda sıcaklığı 1.4 0 w · m -1 · k -1 {{{9 {{0}} 2 termal genleşme katsayısı ile × 10-6 · K -1 RT'de 1200 derece. Zhou ve ark. atmosferik plazma püskürtme yöntemi kullanılarak asil nadir toprak zirkonat (LA0.2nd0.2SM0.2EU0.2GD0.2) 2ZR2O7 hazırlanmıştır. Havada 1100 derecede termal döngü testinde, bu malzeme, lantanim zirkonat kaplamaya kıyasla mükemmel dayanıklılık ve gelişmiş bir termal genleşme katsayısı gösterdi. Florit tipi nadir toprak yüksek entropi zirkonat Y2 (CE0.2ZR0.2HF0.2SN0.2TI0.2) 2O7 HE tarafından hazırlanan yüksek sıcaklık faz stabilite testinde iyi performans gösterdi, gelişmiş termal genleşme katsayısı ve termal iletkenlik ve düşük kırık sertliği ile 1.27 MPa · M1/2. Özetle, yüksek entropi nadir toprak zirkonat seramikleri, yüksek sıcaklık faz stabilitesi, sinterleme direnci ve termal iletkenlikte mükemmel sonuçlar göstermiştir, ancak kırık toklukları zayıftır ve daha fazla iyileşme gerektirir.
4.4 Yüksek entropi nadir toprak fosfat
(La {{{0}}. 2ce 0. 2. 0. 2SM 0. Alümina ile iyi kimyasal uyumluluk. Malzemenin termal genleşme katsayısı, 300-1000 derecesinde 8.9 × {{12} · k -1 olarak ölçüldü ve malzemenin termal iletkenliği de 2.08 W · M { {17}} · k -1. Zhao tasarlanmış (TIZRHF) P2O7 malzemesi ve deneyler, bu malzemenin düşük termal iletkenliğe (0.78 w · m - 1 · k - 1) sahip olduğunu ve aynı zamanda iyi termal stabilite sergilediğini gösterdi. 1550 derecede 3 saat boyunca tavlamadan sonra ayrışmaz, yüksek sıcaklıklarda tek zirkonyum pirofosfat seramik malzemelerinin termal ayrışmasının kusurunu geliştirir.
4.5 Yüksek entropi nadir toprak silikat
Ren ve ark. Hazırlanan (y {{{0}}. 25ho 0. 25er 0. 25yb 0. Artan sıcaklık, yavaş yavaş 1 0 {0 0 K, Şekil 6'da gösterildiği gibi stabilize edici. Chen ve ark. Hazırlanan (yb 0. 25y 0. 25lu 0. 25er {{3 0}}}}. 25) 2SIO5 seramik malzeme kullanılarak katı hal reaksiyon yöntemi kullanılarak ve Malzeme iyi faz stabilitesi ve termal genleşmenin anizotropisi sergiledi. Malzemenin substrat üzerindeki tercihli yönünü kontrol ederek, kaplama ve substrat arasındaki uyumsuzluk etkili bir şekilde azaltılabilir. Wang ve ark. Hazırlanan (y {{4 {0}}. 25yb 0. 25er 0. 25sc0.25) 2SI2O7 seramik malzeme. 1600 derecesinde sinterleme işlemi sırasında, iyi yüksek sıcaklık faz stabilitesi gösteren 5-15 H yalıtım süresi aralığında neredeyse hiç tahıl değişikliği yoktu. Erimiş CMAS korozyon sürecinde, malzeme CMAS korozyonuna karşı iyi bir direnç gösterdi. Dong ve ark. Hazırlanan (YB0.2Y0.2LU0.2SC0.2 GD0.2) 2SI2O7 Seramik Malzeme, 1300 derecenin altında iyi faz stabilitesi, SIC tabanlı kompozit malzemelere benzer CTE ve olağanüstü korozyon direnci.
Şekil 6 Yhoeryb CTE Oda sıcaklığından 1473K'ya kadar ölçüldü
4.6 Yüksek entropi nadir toprak oksitleri
Yao ve ark. Yüksek entropi kavramını kullanarak çok bileşenli bir oksit zr 1-4 xyxybxtAxNBXO2 seramik malzemesi tasarlanmıştır. Ferroelastisitesi ve faz dönüşümü sertleştirme mekanizması nedeniyle, yeni malzemenin kırılma tokluğu arttırıldı (4.59 MPa · M1/2) ve termal iletkenliği de düşüktü (1.37w · m -1 · k {{1 {1 {{2 0}}}} (9 0 0}}}}})). Termal genişleme katsayısı 11.3 × 10-6 · k -1 (1 0 0}} 0 derece) yükseltildi ve mükemmel yüksek sıcaklık termal stabilite ve direnç sergiledi. 1600 derecesinde CMAS korozyonu. Sun ve ark. Hazırlanan (5R0.2) 2O3 (Re=SM, EU, ER, LU, Y, YB) ve ilgili özelliklerini inceledi. Malzemenin CTE'si Y2O3 ve AL2O3'ünkine yakındır ve termal iletkenliği (5.1 w · m -1 · k -1) Y2O3 ve AL2O3'ten çok daha düşüktür ve iyi CMA'lara karşı direnç. Chen ve ark. Katı hal reaksiyonu yoluyla, düşük sıcaklık çok fazından yüksek sıcaklıklı tek fazlı yapıya geri dönüşümlü bir geçiş sergileyen katı hal reaksiyonu yoluyla hazırlanan (CE0.2ZR0.2SN0.2TI0.2) O2. Oda sıcaklığı termal iletkenliği 1.28w · m -1 · k -1, 7YSZ'den% 50 daha düşüktür. Dudnik ve ark. Zro2 bazlı seramiklere çoklu nadir toprak oksitlerin dopinginin özellikleri üzerindeki etkisini araştırdı. Modifiye yüksek entropi seramikleri, termal döngü testlerinde iyi performans gösterdi ve YSZ kaplamalarına (138 döngü) kıyasla önemli bir iyileşme gösterdi.
Şekil 7, 8YSZ kaplamanın performans parametrelerini ve birkaç yüksek entropi seramik kaplama malzemesini listelemektedir. Şekil 7'den, 8YSZ'ye kıyasla, yüksek entropi seramik malzemelerinin büyük çoğunluğunun daha düşük termal iletkenliğe sahip olduğu görülebilir, yüksek entropi nadir toprak zirkonatları en iyi performansı gösterirken, yüksek entropi nadir toprak alüminatlarının bu konuda eksiklikleri vardır; 8YSZ ile karşılaştırıldığında, yüksek entropi nadir toprak oksitlerinin CTE'si, yüksek entropi nadir toprak zirkonatları ve niobatlar çok az fark gösterirken, yüksek entropi fosfatları ve alüminatları kötü performans gösterir; Kırılma tokluğu açısından, yüksek entropi tantalat 8YSZ'ye yakınken, yüksek entropi nadir toprak oksit zr 1-4 xyxybxtaxnbxo2 8YSZ'den önemli ölçüde daha iyidir.
Şekil 7 Birkaç yüksek entropi seramik malzemesinin özelliklerinin karşılaştırılması
Birkaç yüksek entropi seramik malzemesinin avantajlarını ve dezavantajlarını kapsamlı bir şekilde karşılaştırarak, 8YSZ ile karşılaştırıldığında, yüksek sıcaklık faz stabilitesi, sinterleme direnci ve uygulamayı karşılayabilecek bazı termal özelliklerde önemli avantajlar sergilediği görülebilir. Uçak motorları için termal bariyer kaplamaların gereksinimleri. Ancak, yüksek malzeme yoğunluğuna ve yüksek maliyete sahip olan ve termal bariyer kaplama malzemeleri için ilk tercih olarak kullanılamayan yüksek entropi nadir toprak tantalat gibi bazı eksiklikler de vardır; Yüksek entropi nadir toprak alüminatlarının CTE'si nispeten yüksektir ve yüksek sıcaklıklarda az miktarda safsızlık ortaya çıkabilir; Yüksek entropi nadir toprak zirkonatlarının mekanik özellikleri hala yetersizdir ve kırılma toklukları zayıftır; Yüksek entropi nadir toprak silikatlarının CTE nispeten küçüktür; Yüksek entropi nadir toprak fosfatının erime noktası, kimyasal bileşim kaymasından büyük ölçüde etkilenir ve AL2O3 ile bağlanma afinitesi zayıftır. Kırılma tokluğu zayıftır, bu da demir elastik sertleştirme fazına sahip bir yapı tasarlayarak geliştirilebilir. Özetle, yüksek entropi nadir toprak zirkonatları ve yüksek entropi nadir toprak oksitleri, gelecekte yeni TBC malzemelerinin araştırma sıcak noktaları olacaktır.