Войти
Термобарьерное покрытие (белого цвета) на направляющей лопатке турбины в турбовентиляторном двигателе V2500 Термобарьерные покрытия (TBC) - это современные системы материалов, обычно наносимые на металлические поверхности, работающие при повышенных температурах, такие как газовые турбины или детали авиационных двигателей, в виде выхлопных газов. управление теплом. Эти покрытия из теплоизоляционных материалов толщиной от 100 мкм до 2 мм служат для изоляции компонентов от больших и продолжительных тепловых нагрузок и могут выдерживать значительную разницу температур между несущими сплавами и покрытием. поверхность. При этом эти покрытия могут обеспечивать более высокие рабочие температуры, ограничивая термическое воздействие на компоненты конструкции, продлевая срок службы деталей за счет уменьшения окисления и термической усталости. В сочетании с активным пленочным охлаждением TBC допускают более высокие температуры рабочей жидкости, чем температура плавления металлического аэродинамического профиля в некоторых применениях турбин. В связи с растущим спросом на более эффективные двигатели, работающие при более высоких температурах с большей прочностью / сроком службы и более тонкие покрытия для уменьшения паразитной массы для вращающихся / движущихся компонентов, существует значительная мотивация для разработки новых и усовершенствованных TBC. Требования к материалам для TBC аналогичны требованиям для теплозащитных экранов, хотя в последнем приложении коэффициент излучения имеет тенденцию иметь большее значение.
TBC и связанные слои. Охлаждающий воздух часто проходит через металлическую подложку для улучшения охлаждения. Эффективный TBC должен соответствовать определенным требованиям, чтобы хорошо работать в агрессивных термомеханических средах. Чтобы справиться с напряжениями теплового расширения во время нагрева и охлаждения, необходима соответствующая пористость, а также соответствующее согласование коэффициентов теплового расширения с металлической поверхностью, которую покрывает TBC. Фазовая стабильность необходима для предотвращения значительных изменений объема (которые происходят во время фазовых переходов), которые могут вызвать растрескивание покрытия или скалывание. В двигателях с воздушным дыханием необходима стойкость к окислению, а также хорошие механические свойства для вращающихся / движущихся частей или частей, находящихся в контакте. Таким образом, общие требования к эффективному ТБП можно резюмировать следующим образом: 1) высокая температура плавления. 2) отсутствие фазового превращения между комнатной и рабочей температурой. 3) низкая теплопроводность. 4) химическая инертность. 5) аналогичное тепловое расширение соответствует металлической подложке. 6) хорошая адгезия к основанию. 7) низкая скорость спекания пористой микроструктуры. Эти требования сильно ограничивают количество материалов, которые могут быть использованы, при этом керамические материалы обычно могут соответствовать требуемым свойствам.
Термобарьерные покрытия обычно состоят из четырех слоев: металлическая подложка, металлическое связующее покрытие, термически выращенный оксид (TGO) и керамическое финишное покрытие. Керамическое верхнее покрытие обычно состоит из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YSZ), который желательно иметь очень низкую проводимость, оставаясь стабильным при номинальных рабочих температурах, которые обычно наблюдаются в различных областях применения. Этот керамический слой создает самый большой температурный градиент ТВП и сохраняет нижние слои при более низкой температуре, чем поверхность. Однако при температуре выше 1200 ° C YSZ страдает от неблагоприятных фазовых превращений, переходящих от t'-тетрагональной к тетрагональной, кубической и моноклинной. Такие фазовые превращения приводят к образованию трещин внутри верхнего покрытия. Недавние достижения в поиске альтернативы керамическому покрытию YSZ позволили выявить многие новые керамические материалы (цирконаты редкоземельных элементов), обладающие превосходными характеристиками при температурах выше 1200 ° C, однако с более низкой вязкостью разрушения по сравнению с YSZ. Кроме того, такие цирконаты могут иметь высокую концентрацию вакансий для ионов кислорода, что может способствовать переносу кислорода и усугублять образование TGO. При достаточно большом TGO может произойти растрескивание покрытия, что является катастрофическим видом разрушения для TBC. Использование таких покрытий потребует дополнительных покрытий, более устойчивых к окислению, таких как оксид алюминия или муллит.
Связующее покрытие представляет собой устойчивый к окислению металлический слой, который наносится непосредственно на металлическую основу. Обычно он имеет толщину 75-150 мкм и изготовлен из сплава NiCrAlY или NiCoCrAlY, хотя существуют и другие связующие покрытия из алюминидов Ni и Pt. Основная цель связующего покрытия - защитить металлическую основу от окисления и коррозии, особенно от кислорода и коррозионных элементов, которые проходят через пористое керамическое верхнее покрытие.
При пиковых условиях эксплуатации газотурбинных двигателей с температурами, превышающими 700 ° C, окисление связующего покрытия приводит к образованию слоя термически выращенного оксида (TGO). Образование слоя TGO неизбежно для многих высокотемпературных применений, поэтому термобарьерные покрытия часто проектируются таким образом, чтобы слой TGO увеличивался медленно и равномерно. Такой TGO будет иметь структуру с низким коэффициентом диффузии кислорода, так что дальнейший рост будет контролироваться диффузией металла из связующего слоя, а не диффузией кислорода из верхнего покрытия.
TBC также можно локально модифицировать на границе раздела между связующим покрытием и термически выращенным оксидом, чтобы он действовал как термографический люминофор, что позволяет дистанционно измерять температуру
TBC выходят из строя из-за различных режимов разрушения, которые включают механическое смятие связующего покрытия во время термического циклического воздействия, особенно покрытий в авиационных двигателях; ускоренное окисление, горячая коррозия, деградация расплавленных отложений. Также существуют проблемы с окислением (удаление участков TBC) TBC, что резко сокращает срок службы металла, что приводит к термической усталости.
Ключевой особенностью всех компонентов TBC является хорошо подобранные коэффициенты теплового расширения между всеми слоями. Термобарьерные покрытия расширяются и сжимаются с разной скоростью при нагревании и охлаждении окружающей среды, поэтому материалы, когда разные слои имеют плохо согласованные коэффициенты теплового расширения, возникает деформация, которая может привести к растрескиванию и, в конечном итоге, разрушению покрытия.
Растрескивание в слое термически выращенного оксида (TGO) между верхним покрытием и связующим слоем является наиболее распространенным видом отказа для покрытий лопаток газовых турбин. Рост TGO вызывает напряжение, связанное с объемным расширением, которое сохраняется при всех температурах. Когда система охлаждается, из-за несовпадения коэффициентов теплового расширения возникает еще большее несоответствие. В результате возникают очень высокие (2-6 ГПа) напряжения, которые возникают при низкой температуре и могут вызвать растрескивание и, в конечном итоге, разрушение барьерного покрытия. Образование TGO также приводит к обеднению Al в связующем покрытии. Это может привести к образованию нежелательных фаз, которые способствуют напряжению несоответствия. Все эти процессы ускоряются термоциклированием, которое происходит во многих применениях термобарьерных покрытий.
YSZ - наиболее широко изучаемый и используемый ТБП, поскольку он обеспечивает отличные характеристики в таких приложениях, как дизельные двигатели и газовые турбины. Кроме того, это был один из немногих тугоплавких оксидов, которые можно было наносить в виде толстых пленок с использованием известной тогда технологии плазменного напыления. Что касается свойств, он имеет низкую теплопроводность, высокий коэффициент теплового расширения и низкую термостойкость. Однако он имеет довольно низкий рабочий предел 1200 ° C из-за фазовой нестабильности и может подвергаться коррозии из-за прозрачности для кислорода.
Муллит представляет собой соединение оксида алюминия и диоксида кремния с формулой 3Al2O3-2SiO2. Он имеет низкую плотность, а также хорошие механические свойства, высокую термическую стабильность, низкую теплопроводность и устойчив к коррозии и окислению. Однако он страдает от кристаллизации и сокращения объема при температуре выше 800 ° C, что приводит к растрескиванию и расслоению. Следовательно, этот материал подходит в качестве альтернативы диоксиду циркония для таких применений, как дизельные двигатели, где температура поверхности относительно низкая, а колебания температуры по покрытию могут быть значительными.
Среди оксидов алюминия стабильна только α-фаза Al2O3. Обладая высокой твердостью и химической инертностью, но высокой теплопроводностью и низким коэффициентом теплового расширения, оксид алюминия часто используется в качестве дополнения к существующему покрытию TBC. Путем включения оксида алюминия в YSZ TBC можно улучшить стойкость к окислению и коррозии, а также твердость и прочность соединения без значительного изменения модуля упругости или ударной вязкости. Одной из проблем с оксидом алюминия является нанесение покрытия с помощью плазменного напыления, которое имеет тенденцию к образованию различных нестабильных фаз, таких как γ-оксид алюминия. Когда эти фазы в конечном итоге превращаются в стабильную α-фазу в результате термоциклирования, следует значительное изменение объема на ~ 15% (от γ до α), что может привести к образованию микротрещин в покрытии.
CeO2 (церия) имеет более высокий коэффициент теплового расширения и более низкую теплопроводность, чем YSZ. Добавление оксида церия в покрытие YSZ может значительно улучшить характеристики TBC, особенно в отношении устойчивости к термическому удару . Скорее всего, это связано с меньшим напряжением связующего слоя из-за лучшей изоляции и лучшего коэффициента теплового расширения. Некоторые отрицательные эффекты добавления оксида церия включают снижение твердости и ускорение скорости спекания покрытия (менее пористое).
La2Zr2O7, также называемый LZ, представляет собой пример цирконата редкоземельных элементов, который потенциально может использоваться в качестве TBC. Этот материал является фазово-стабильным до температуры плавления и может в значительной степени допускать наличие вакансий на любой из своих подрешеток. Наряду со способностью к замещению сайтов другими элементами это означает, что тепловые свойства потенциально могут быть адаптированы. Хотя он также имеет очень низкую теплопроводность по сравнению с YSZ, он также имеет низкий коэффициент теплового расширения и низкую вязкость.
Смесь оксидов редкоземельных элементов легкодоступна, дешева и может иметь многообещающие преимущества в качестве эффективных ТВП. Покрытия из оксидов редкоземельных элементов (например, La2O3, Nb2O5, Pr2O3, CeO2 в качестве основных фаз) имеют более низкую теплопроводность и более высокие коэффициенты теплового расширения по сравнению с YSZ. Основная проблема, которую необходимо преодолеть, - это полиморфная природа большинства оксидов редкоземельных элементов при повышенных температурах, поскольку фазовая нестабильность имеет тенденцию отрицательно влиять на сопротивление тепловому удару.
Порошковая смесь металла и нормального стекла может быть напылена плазмой в вакууме с подходящим составом, приводящим к TBC, сравнимым с YSZ. Кроме того, композиты металл-стекло имеют превосходную адгезию связующего покрытия, более высокие коэффициенты теплового расширения и отсутствие открытой пористости, что предотвращает окисление связующего покрытия.
термобарьерное покрытие на компоненте автомобильной выхлопной системы 
Термобарьерное покрытие на углеродном композитном материале термобарьерное керамическое покрытия становятся все более распространенными в автомобильной промышленности. Они специально разработаны для уменьшения тепловых потерь от компонентов выхлопной системы двигателя , включая выпускные коллекторы, корпуса турбокомпрессора, выпускные коллекторы, спускные трубы и выхлопные трубы. Этот процесс также известен как «управление теплом выхлопных газов ». При использовании под капотом они положительно влияют на снижение температуры моторного отсека, тем самым снижая температуру всасываемого воздуха.
Хотя большинство керамических покрытий наносят на металлические детали, непосредственно связанные с выхлопной системой двигателя, технологические достижения позволяют наносить термобарьерные покрытия с помощью плазменного напыления на композитные материалы. Сейчас обычным явлением стало обнаружение компонентов с керамическим покрытием в современных двигателях и высокопроизводительных компонентах гоночных серий, таких как Formula 1. Эти покрытия не только обеспечивают тепловую защиту, но также используются для предотвращения физического разрушения композитного материала из-за трения. Это возможно, потому что керамический материал связывается с композитом (вместо того, чтобы просто прилипать к поверхности с краской), тем самым образуя прочное покрытие, которое не отслаивается и не отслаивается.
Хотя на внутреннюю часть компонентов выхлопной системы были нанесены термобарьерные покрытия, возникли проблемы из-за сложности подготовки внутренней поверхности перед нанесением покрытия.
Интерес к повышению эффективности газотурбинных двигателей для авиационных применений побудил исследовать более высокие температуры сгорания. КПД турбины сильно зависит от температуры сгорания. Более высокая температура сгорания улучшает термодинамический КПД машины, обеспечивая более благоприятное соотношение производимой работы по отношению к отходящему теплу. Тепловые барьерные покрытия обычно используются для защиты суперсплавов на основе никеля от плавления и термоциклирования в авиационных турбинах. В сочетании с потоком холодного воздуха ТБП повышают допустимую температуру газа выше точки плавления суперсплава.
Чтобы избежать трудностей, связанных с температурой плавления суперсплавов, многие исследователи исследуют композиты с керамической матрицей (CMC) в качестве высокотемпературной альтернативы. Как правило, они изготавливаются из армированного волокном SiC. Вращающиеся детали особенно хорошо подходят для замены материала из-за огромной усталости, которую они испытывают. КМЦ не только обладают лучшими тепловыми свойствами, но и легче, а это означает, что для создания такой же тяги более легкого самолета потребуется меньше топлива. Однако материальные изменения не обходятся без последствий. При высоких температурах эти КМЦ вступают в реакцию с водой и образуют газообразные соединения гидроксида кремния, которые разъедают КМЦ.
SiOH 2 + H 2 O = SiO (OH) 2
SiOH 2 + 2H 2 O = Si (OH) 4
2SiOH 2 + 3H 2 O = Si 2 O (OH) 6
Термодинамические данные для этих реакций были экспериментально определено в течение многих лет, чтобы определить, что Si (OH) 4, как правило, является доминирующей разновидностью пара. Для защиты этих CMC от водяного пара, а также других вредных факторов окружающей среды требуются еще более совершенные защитные покрытия для защиты окружающей среды. Например, когда температура газа увеличивается до 1400–1500 К, частицы песка начинают плавиться и вступать в реакцию с покрытиями. Расплавленный песок обычно представляет собой смесь оксида кальция, оксида магния, оксида алюминия и оксида кремния (обычно называемого CMAS). Многие исследовательские группы изучают вредное воздействие CMAS на покрытия турбин и способы предотвращения повреждений. CMAS является серьезным препятствием на пути повышения температуры сгорания газотурбинных двигателей, и его необходимо будет устранить, прежде чем турбины увидят значительное повышение эффективности из-за повышения температуры.
В промышленности тепловой барьер Покрытия получают несколькими способами:
Кроме того, разработка современных покрытий и методов обработки является областью активных исследований. Одним из таких примеров является процесс плазменного распыления прекурсора, который использовался для создания TBC с одними из самых низких заявленных значений теплопроводности без ущерба для термоциклической стойкости.
.
 | На Викискладе есть материалы, связанные с Термобарьерным покрытием. |
