Lapisan penghalang termal memberikan "pelindung-pengisolasi panas" pada komponen logam.
Di bidang mesin aero dan turbin gas, ada tujuan abadi: suhu masuk turbin yang lebih tinggi. Karena alasan ini, para ilmuwan material terus mencari cara untuk meningkatkan-ketahanan turbin terhadap suhu tinggi, dan salah satu metode yang paling efektif adalah dengan mengenakan "pakaian pelindung"-melapisi komponen turbin dengan pelapis yang memiliki fungsi berbeda, sehingga mencapai peningkatan kinerja layanan, keandalan yang lebih baik, dan masa pakai yang lebih lama.
Lapisan penghalang termal pada mesin aero (GP7200) dan-morfologi penampang sistem lapisan penghalang termal pada umumnya
Saat ini, pelapis penghalang termal telah menjadi teknologi pendukung utama untuk menembus batas layanan material logam.
Lapisan penghalang termal (TBC) adalah jenis lapisan isolasi yang menggabungkan kinerja struktural dan karakteristik fungsional. Mereka memiliki struktur multilapis seperti "sandwich", yang terdiri dari lapisan insulasi termal keramik, lapisan ikatan logam, dan substrat superalloy. Diantaranya, lapisan atas keramik adalah lapisan fungsional inti dari lapisan penghalang termal, yang secara langsung menahan guncangan termal, erosi, dan korosi kimiawi-gas bersuhu tinggi. Pemilihan bahan dan desain struktural lapisan ini secara langsung menentukan efek insulasi termal dan masa pakai lapisan tersebut.
Struktur lapisan penghalang termal
Bahan berbasis zirkonium-adalah bahan pilihan untuk lapisan keramik pelapis penghalang termal-suhu tinggi.
Karena bahan berbasis zirkonium-memiliki kinerja isolasi termal yang sangat baik, ketahanan-oksidasi suhu tinggi, ketahanan korosi-suhu tinggi, dan kekuatan yang relatif tinggi, bahan ini menjadi bahan pilihan untuk lapisan keramik pelapis penghalang termal suhu tinggi.
Tahap pertama dalam pengembangan lapisan penghalang termal berbasis zirkonium-adalah penggunaan langsung zirkonium oksida (ZrO2) sebagai bahan lapisan keramik. Transformasi fase ZrO2 yang cepat selama pemanasan membatasi suhu layanannya, sehingga menghasilkan masa pakai yang relatif singkat untuk lapisan penghalang termal. Tahap kedua adalah penggunaan 6 wt%~8 wt% Y2O3 lapisan keramik ZrO2 (YSZ) yang distabilkan sebagian. Doping dengan oksida tanah jarang Y2O3 meningkatkan suhu transformasi fasa ZrO2, meningkatkan stabilitas fasa suhu tinggi pada sistem keramik, dan YSZ masih menjadi bahan keramik pelapis penghalang termal yang paling banyak digunakan di seluruh dunia.
Namun, seiring dengan peningkatan suhu layanan secara bertahap, sistem YSZ secara bertahap mengungkap keterbatasannya dalam stabilitas fasa, ketahanan sintering, dan kinerja kelelahan siklus termal. Khususnya di lingkungan-bersuhu tinggi di atas 1200 derajat , YSZ rentan terhadap transformasi fasa, yang menyebabkan penggetasan struktural dan kegagalan pelapisan. Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti mulai mengeksplorasi sistem material keramik baru.
Serbuk-berbasis zirkonium: rintangan pertama untuk "pelindung-isolasi panas" pada lapisan penghalang termal.
Dalam aplikasi pelapisan penghalang termal, pelapis yang dibuat dari "bubuk nano zirkonium oksida dan bubuk zirkonium oksida bola berongga" menunjukkan kinerja yang lebih baik daripada pelapis berstruktur mikro tradisional.
Karena "struktur mikronya yang unik", lapisan penghalang termal berstruktur nano biasanya memiliki ketahanan sintering yang lebih tinggi dan toleransi regangan yang lebih baik, sehingga secara signifikan meningkatkan masa pakai lapisan tersebut. Lapisan penghalang termal terstruktur bola berongga, karena "karakteristik berpori" -nya, dapat secara efektif mengurangi konduktivitas termal lapisan dan memberikan insulasi termal yang lebih baik, sekaligus memiliki stabilitas dan karakteristik lainnya yang lebih baik. Karakteristik bubuk zirkonium oksida awal mempunyai pengaruh yang menentukan terhadap kinerja pelapisan. Oleh karena itu, mengoptimalkan proses pembuatan bubuk-yang ada atau mengeksplorasi proses yang lebih unggul, dan mengembangkan jenis bubuk baru dengan kinerja yang lebih baik, merupakan jalan utama untuk meningkatkan kinerja lapisan penghalang termal dan memenuhi persyaratan bidang yang canggih dan canggih.
Metode persiapan bubuk yang digunakan dalam pelapis penghalang termal suhu tinggi berbasis zirkonium-termasuk deposisi uap, metode garam cair, metode sol-gel, metode pengendapan homogen, metode hidrotermal, metode templat, dan lain-lain. Diantaranya, "metode hidrotermal" yang sangat penting, sebagai metode persiapan kimia dengan potensi pengembangan yang besar, menunjukkan keuntungan luar biasa dalam pembuatan bubuk nano zirkonium oksida murni/doping. Metode templat dapat secara tepat mengontrol diameter dan ketebalan dinding bola berongga dengan memilih agen templat dengan ukuran berbeda, dan merupakan cara yang efektif untuk mencapai persiapan struktur bola berongga yang terkendali. Pirolisis semprot lebih cocok untuk produksi skala-besar, membentuk struktur bola berongga dalam satu langkah melalui proses atomisasi, pengeringan, dan pirolisis cairan yang dikontrol prekursor-.
Perbandingan teknologi persiapan utama untuk bahan bubuk berbasis zirkonium-
Memperkenalkan tanah jarang untuk mengembangkan lapisan keramik penghalang termal berbasis zirkonium baru.
Di satu sisi, menyempurnakan bahan pelapis penghalang termal yang sudah ada sekaligus menambahkan beberapa oksida tanah jarang-ytterbium oksida, skandium oksida, gadolinium oksida, cerium oksida-secara bersamaan dapat menghasilkan efek yang sangat berbeda.
Di sisi lain, pengembangan bubuk komposit berbasis zirkonium-baru (seperti sistem komposit zirkonium oksida dan garam tanah jarang) juga telah menjadi arah penelitian yang penting.
Dibandingkan dengan YSZ, material zirkonat tanah jarang (RE2Zr2O7) menunjukkan konduktivitas termal yang lebih rendah, stabilitas fasa yang lebih tinggi, dan ketahanan sintering yang lebih baik, menjadikannya kandidat utama untuk material keramik TBC generasi berikutnya. Studi menunjukkan bahwa sifat luar biasa dari zirkonat tanah jarang dapat secara signifikan meningkatkan kinerja kejutan termal dan umur siklus termal lapisan. Misalnya, dalam struktur pelapisan -lapisan ganda La2Zr2O7 dan 8YSZ, material La2Zr2O7 bagian luar dapat secara signifikan mengurangi konduktivitas termal dan meningkatkan jumlah guncangan termal dan umur oksidasi termal, sehingga menunjukkan keunggulan sinergis dari "konduktivitas termal rendah-stabilitas tinggi".
Selain itu, dalam beberapa tahun terakhir, tantalat tanah jarang (RE2Ta2O7) dan niobat tanah jarang (RE2Nb2O7), sebagai bahan dengan konduktivitas termal yang sangat-rendah dan stabilitas termal yang sangat baik, telah menjadi pusat penelitian baru. Karena ketangguhannya yang buruk, penerapannya sebagai bahan pelapis menjadi terbatas. Penelitian saat ini terutama berfokus pada pencapaian komplementaritas fungsional material melalui struktur komposit multilayer atau struktur gradien.