Salutan penghalang terma meletakkan "perisai-panas penebat" pada komponen logam.
Dalam bidang enjin aero dan turbin gas, terdapat usaha yang kekal: suhu masuk turbin yang lebih tinggi. Atas sebab ini, saintis bahan sentiasa meneroka cara untuk meningkatkan-rintangan suhu tinggi turbin, dan salah satu kaedah paling berkesan ialah memakai "pakaian pelindung"-menyalut komponen turbin dengan salutan yang mempunyai fungsi yang berbeza, dengan itu mencapai prestasi perkhidmatan yang lebih baik, kebolehpercayaan yang lebih baik dan hayat perkhidmatan yang lebih lama.
Salutan penghalang haba dalam enjin aero (GP7200) dan morfologi-keratan rentas sistem salutan penghalang haba biasa
Pada masa ini, salutan penghalang haba telah menjadi teknologi sokongan utama untuk menembusi had perkhidmatan bahan logam.
Salutan penghalang terma (TBC) ialah sejenis salutan penebat yang menggabungkan prestasi struktur dan ciri fungsi. Mereka mempunyai struktur berbilang lapisan seperti "sandwic", yang terdiri daripada lapisan penebat haba seramik, lapisan ikatan logam dan substrat aloi super. Antaranya, lapisan atas seramik ialah lapisan fungsi teras bagi salutan penghalang haba, yang menanggung kejutan haba, hakisan dan kakisan kimia gas suhu tinggi- secara langsung. Pemilihan bahan dan reka bentuk struktur lapisan ini secara langsung menentukan kesan penebat haba dan hayat perkhidmatan salutan.
Struktur salutan penghalang haba
Bahan berasaskan zirkonium-adalah bahan pilihan untuk lapisan seramik salutan penghalang terma{1}}suhu tinggi.
Oleh kerana bahan berasaskan zirkonium-mempunyai prestasi penebat haba yang sangat baik, rintangan pengoksidaan-suhu tinggi, rintangan kakisan suhu-tinggi dan kekuatan yang agak tinggi, bahan tersebut telah menjadi bahan pilihan untuk lapisan seramik salutan penghalang terma suhu tinggi-.
Peringkat pertama dalam pembangunan salutan penghalang haba berasaskan zirkonium-adalah penggunaan langsung zirkonium oksida (ZrO2) sebagai bahan lapisan seramik. Transformasi fasa pantas ZrO2 semasa pemanasan mengehadkan suhu perkhidmatannya, menghasilkan hayat perkhidmatan yang agak singkat untuk salutan penghalang haba. Peringkat kedua ialah penggunaan 6 wt%~8 wt% Y2O3 sebahagiannya menstabilkan lapisan seramik ZrO2 (YSZ). Doping dengan oksida nadir bumi Y2O3 meningkatkan suhu transformasi fasa ZrO2, meningkatkan{14}}kestabilan fasa suhu tinggi sistem seramik dan YSZ masih merupakan bahan seramik salutan penghalang haba yang paling banyak digunakan di seluruh dunia.
Walau bagaimanapun, apabila suhu perkhidmatan meningkat secara beransur-ansur, sistem YSZ telah mendedahkan hadnya secara beransur-ansur dalam kestabilan fasa, rintangan pensinteran dan prestasi keletihan berbasikal haba. Terutamanya dalam-persekitaran suhu tinggi melebihi 1200 darjah, YSZ terdedah kepada perubahan fasa, yang membawa kepada kerosakan struktur dan kegagalan salutan. Untuk menyelesaikan masalah ini, penyelidik telah mula meneroka sistem bahan seramik baharu.
Serbuk berasaskan zirkonium-: halangan pertama untuk "perisai-panas penebat" salutan penghalang haba.
Dalam aplikasi salutan penghalang haba, salutan yang disediakan daripada "serbuk nano zirkonium oksida dan serbuk zirkonium oksida sfera berongga" mempamerkan prestasi yang lebih cemerlang daripada salutan berstruktur mikro tradisional.
Oleh kerana "struktur mikro yang unik," salutan penghalang haba berstruktur nano biasanya mempunyai rintangan pensinteran yang lebih tinggi dan toleransi terikan yang lebih baik, dengan itu meningkatkan hayat perkhidmatan salutan dengan ketara. Salutan penghalang haba berstruktur sfera berongga, kerana "ciri berliang" mereka dengan berkesan boleh mengurangkan kekonduksian terma salutan dan memberikan penebat haba yang lebih baik, di samping mempunyai kestabilan yang lebih baik dan ciri-ciri lain. Ciri-ciri serbuk zirkonium oksida awal mempunyai pengaruh yang menentukan terhadap prestasi salutan. Oleh itu, mengoptimumkan proses pembuatan-serbuk sedia ada atau meneroka proses yang lebih cemerlang, dan membangunkan jenis serbuk baharu dengan prestasi yang lebih baik, merupakan laluan utama untuk meningkatkan prestasi salutan penghalang haba dan memenuhi keperluan medan termaju dan canggih.
Kaedah penyediaan serbuk yang digunakan dalam salutan penghalang haba bersuhu tinggi-berasaskan zirkonium-termasuk pemendapan wap, kaedah garam cair, kaedah sol-gel, kaedah pemendakan homogen, kaedah hidroterma, kaedah templat dan lain-lain. Antaranya, "kaedah hidroterma" yang patut diberi perhatian, sebagai kaedah penyediaan kimia dengan potensi pembangunan yang besar, menunjukkan kelebihan yang luar biasa dalam menyediakan serbuk nano zirkonium oksida tulen/doped. Kaedah templat boleh mengawal dengan tepat diameter dan ketebalan dinding sfera berongga dengan memilih agen templat dengan saiz yang berbeza, dan merupakan cara yang berkesan untuk mencapai penyediaan terkawal bagi struktur sfera berongga. Pirolisis semburan lebih sesuai untuk pengeluaran-skala besar, membentuk struktur sfera berongga dalam satu langkah melalui proses pengatoman, pengeringan dan pirolisis cecair terkawal-prekursor.
Perbandingan teknologi penyediaan utama untuk bahan serbuk-zirkonium
Memperkenalkan nadir bumi untuk membangunkan lapisan seramik penghalang haba berasaskan zirkonium-baru.
Di satu pihak, menambah baik bahan salutan penghalang haba sedia ada sambil mendopan serentak dengan berbilang oksida nadir bumi-ytterbium oksida, skandium oksida, gadolinium oksida, serium oksida-mungkin menghasilkan kesan yang berbeza sama sekali.
Sebaliknya, membangunkan serbuk komposit berasaskan zirkonium-baharu (seperti sistem komposit zirkonium oksida dan garam nadir bumi) juga telah menjadi hala tuju penyelidikan yang penting.
Berbanding dengan YSZ, bahan nadir bumi zirkonat (RE2Zr2O7) mempamerkan kekonduksian terma yang lebih rendah, kestabilan fasa yang lebih tinggi, dan rintangan pensinteran yang lebih baik, menjadikannya calon teras untuk bahan seramik TBC generasi akan datang. Kajian menunjukkan bahawa sifat cemerlang zirkonat nadir bumi boleh meningkatkan prestasi kejutan haba dan hayat kitaran haba salutan dengan ketara. Sebagai contoh, dalam struktur salutan dua lapis-La2Zr2O7 dan 8YSZ, bahan La2Zr2O7 luar boleh mengurangkan kekonduksian haba dengan ketara dan meningkatkan bilangan kejutan haba dan hayat pengoksidaan terma, menunjukkan kelebihan sinergistik "kekonduksian haba rendah{13}}kestabilan tinggi."
Di samping itu, dalam beberapa tahun kebelakangan ini, tantalat nadir bumi (RE2Ta2O7) dan niobat nadir bumi (RE2Nb2O7), sebagai bahan dengan kekonduksian terma ultra-rendah dan kestabilan terma yang sangat baik, telah menjadi titik panas penyelidikan baharu. Kerana keliatannya yang lemah, penggunaannya sebagai bahan salutan adalah terhad. Penyelidikan semasa tertumpu terutamanya pada mencapai kesempurnaan fungsi bahan melalui struktur komposit berbilang lapisan atau struktur kecerunan.