I rivestimenti a barriera termica forniscono una "corazza-termoisolante" sui componenti metallici.
Nel campo dei motori aeronautici e delle turbine a gas esiste una ricerca eterna: temperature di ingresso delle turbine più elevate. Per questo motivo, gli scienziati dei materiali esplorano costantemente modi per migliorare la resistenza alle alte-temperature delle turbine e uno dei metodi più efficaci è indossare "indumenti protettivi"-rivestindo i componenti delle turbine con rivestimenti che hanno funzioni diverse, ottenendo così migliori prestazioni di servizio, maggiore affidabilità e una maggiore durata.
Rivestimenti a barriera termica in un motore aeronautico (GP7200) e morfologia-della sezione trasversale di un tipico sistema di rivestimento a barriera termica
Allo stato attuale, i rivestimenti con barriera termica sono diventati una tecnologia di supporto fondamentale per superare i limiti di servizio dei materiali metallici.
I rivestimenti a barriera termica (TBC) sono un tipo di rivestimento isolante che combina prestazioni strutturali e caratteristiche funzionali. Hanno una struttura multistrato come un "sandwich", costituito da uno strato di isolamento termico ceramico, un rivestimento metallico e un substrato di superlega. Tra questi, lo strato superiore in ceramica è lo strato funzionale centrale del rivestimento della barriera termica, che sopporta direttamente lo shock termico, l'erosione e la corrosione chimica del gas ad alta-temperatura. La selezione dei materiali e la progettazione strutturale di questo strato determinano direttamente l'effetto di isolamento termico e la durata del rivestimento.
Struttura del rivestimento a barriera termica
I materiali a base di zirconio-sono il materiale preferito per lo strato ceramico dei rivestimenti con barriera termica ad alta-temperatura.
Poiché i materiali a base di zirconio-hanno eccellenti prestazioni di isolamento termico, resistenza all'ossidazione alle alte-temperature, resistenza alla corrosione alle alte-temperature e resistenza relativamente elevata, sono diventati il materiale preferito per lo strato ceramico dei rivestimenti di barriera termica alle alte-temperature.
La prima fase nello sviluppo dei rivestimenti barriera termica a base di zirconio- è stata l'uso diretto dell'ossido di zirconio (ZrO2) come materiale dello strato ceramico. La rapida trasformazione di fase di ZrO2 durante il riscaldamento ne limita la temperatura di esercizio, determinando una durata di esercizio relativamente breve per il rivestimento della barriera termica. La seconda fase prevedeva l'uso di strati ceramici ZrO2 (YSZ) parzialmente stabilizzati dal 6% in peso all'8% in peso di Y2O3. Il drogaggio con l'ossido di terre rare Y2O3 ha aumentato la temperatura di trasformazione di fase di ZrO2, migliorato la stabilità di fase alle alte-temperature del sistema ceramico e YSZ è ancora il materiale ceramico di rivestimento con barriera termica più utilizzato in tutto il mondo.
Tuttavia, con l’aumento graduale delle temperature di servizio, il sistema YSZ ha gradualmente messo in luce i suoi limiti in termini di stabilità di fase, resistenza alla sinterizzazione e prestazioni di fatica dovuta al ciclo termico. Soprattutto in ambienti ad alta-temperatura superiore a 1200 gradi, YSZ è soggetto a trasformazione di fase, che porta all'infragilimento strutturale e al cedimento del rivestimento. Per risolvere questi problemi, i ricercatori hanno iniziato a esplorare nuovi sistemi di materiali ceramici.
Polveri a base di zirconio-: il primo ostacolo per l'"armatura termoisolante-" dei rivestimenti a barriera termica.
Nelle applicazioni di rivestimento con barriera termica, i rivestimenti preparati da "polveri di ossido di zirconio nano e polveri di ossido di zirconio sferiche cave" mostrano prestazioni più eccellenti rispetto ai tradizionali rivestimenti microstrutturati.
A causa della loro "microstruttura unica", i rivestimenti nanostrutturati a barriera termica di solito hanno una maggiore resistenza alla sinterizzazione e una migliore tolleranza alla deformazione, migliorando così significativamente la durata del rivestimento. I rivestimenti a barriera termica con struttura sferica cava, a causa delle loro "caratteristiche porose", possono ridurre efficacemente la conduttività termica del rivestimento e fornire un migliore isolamento termico, pur avendo una migliore stabilità e altre caratteristiche. Le caratteristiche della polvere di ossido di zirconio iniziale hanno un'influenza decisiva sulla prestazione del rivestimento. Pertanto, l'ottimizzazione dei processi di produzione delle polveri esistenti-o l'esplorazione di processi più eccellenti e lo sviluppo di nuovi tipi di polvere con prestazioni migliori rappresentano un percorso chiave per migliorare le prestazioni dei rivestimenti con barriera termica e soddisfare i requisiti di settori avanzati e sofisticati.
I metodi di preparazione delle polveri utilizzate nei rivestimenti barriera termica ad alta temperatura-a base di zirconio- includono la deposizione di vapore, il metodo del sale fuso, il metodo sol-gel, il metodo della precipitazione omogenea, il metodo idrotermale, il metodo del modello e altri. Tra questi, particolarmente degno di nota è il "metodo idrotermale", come metodo di preparazione chimica con un grande potenziale di sviluppo, che mostra notevoli vantaggi nella preparazione di polveri di ossido di nano zirconio pure/drogate. Il metodo del modello può controllare con precisione il diametro e lo spessore delle pareti delle sfere cave selezionando agenti templanti di diverse dimensioni ed è un mezzo efficace per ottenere una preparazione controllabile di strutture sferiche cave. La pirolisi a spruzzo è più adatta per la produzione su larga-scala, formando strutture sferiche cave in un unico passaggio attraverso i processi di atomizzazione, essiccazione e pirolisi di un liquido controllato dal precursore-.
Confronto delle principali tecnologie di preparazione per materiali in polvere a base di zirconio-
Presentazione delle terre rare per lo sviluppo di nuovi strati ceramici con barriera termica a base di zirconio-.
Da un lato, migliorare i materiali di rivestimento della barriera termica esistenti e contemporaneamente drogarli con più ossidi di terre rare-ossido di itterbio, ossido di scandio, ossido di gadolinio, ossido di cerio-può produrre effetti completamente diversi.
D'altro canto, anche lo sviluppo di nuove polveri composite a base di zirconio- (come sistemi compositi di ossido di zirconio e sali di terre rare) è diventata un'importante direzione di ricerca.
Rispetto a YSZ, i materiali zirconati di terre rare (RE2Zr2O7) mostrano una conduttività termica inferiore, una maggiore stabilità di fase e una migliore resistenza alla sinterizzazione, rendendoli candidati principali per la prossima generazione di materiali ceramici TBC. Gli studi dimostrano che le eccellenti proprietà degli zirconati di terre rare possono migliorare significativamente le prestazioni di shock termico e la durata del ciclo termico dei rivestimenti. Ad esempio, nella struttura di rivestimento a doppio-strato di La2Zr2O7 e 8YSZ, il materiale esterno La2Zr2O7 può ridurre significativamente la conduttività termica e aumentare il numero di shock termici e la durata dell'ossidazione termica, dimostrando il vantaggio sinergico di "bassa conduttività termica-elevata stabilità".
Inoltre, negli ultimi anni, i tantalati delle terre rare (RE2Ta2O7) e i niobati delle terre rare (RE2Nb2O7), in quanto materiali con conduttività termica ultra-bassa ed eccellente stabilità termica, sono diventati nuovi punti caldi della ricerca. A causa della loro scarsa tenacità, la loro applicazione come materiali di rivestimento è limitata. La ricerca attuale si concentra principalmente sul raggiungimento della complementarità funzionale dei materiali attraverso strutture composite multistrato o strutture gradienti.