Os revestimentos de barreira térmica colocam uma "armadura de isolamento-térmico" nos componentes metálicos.
Nas áreas de motores aeronáuticos e turbinas a gás, há uma busca eterna: temperaturas de entrada das turbinas mais altas. Por esse motivo, os cientistas de materiais estão constantemente explorando maneiras de melhorar a resistência-às altas temperaturas das turbinas, e um dos métodos mais eficazes é vestir "roupas de proteção"-revestindo os componentes da turbina com revestimentos que têm funções diferentes, alcançando assim melhor desempenho de serviço, maior confiabilidade e maior vida útil.
Revestimentos de barreira térmica em um motor aeronáutico (GP7200) e a morfologia-secional de um sistema típico de revestimento de barreira térmica
Atualmente, os revestimentos de barreira térmica tornaram-se uma tecnologia de suporte fundamental para romper os limites de serviço dos materiais metálicos.
Os revestimentos de barreira térmica (TBCs) são um tipo de revestimento isolante que combina desempenho estrutural e características funcionais. Eles têm uma estrutura multicamadas como um “sanduíche”, consistindo de uma camada cerâmica de isolamento térmico, uma camada de ligação metálica e um substrato de superliga. Entre elas, a camada superior de cerâmica é a camada funcional central do revestimento de barreira térmica, suportando diretamente o choque térmico, a erosão e a corrosão química do gás-de alta temperatura. A seleção dos materiais e o desenho estrutural desta camada determinam diretamente o efeito de isolamento térmico e a vida útil do revestimento.
Estrutura de revestimento de barreira térmica
Materiais à base de-zircônio são o material preferido para a camada cerâmica de revestimentos de barreira térmica-de alta temperatura.
Como os materiais à base de-zircônio têm excelente desempenho de isolamento térmico, resistência à oxidação em altas-temperaturas, resistência à corrosão em-altas temperaturas e resistência relativamente alta, eles se tornaram o material preferido para a camada cerâmica de revestimentos de barreira térmica em-altas temperaturas.
O primeiro estágio no desenvolvimento de revestimentos de barreira térmica-à base de zircônio foi o uso direto de óxido de zircônio (ZrO2) como material da camada cerâmica. A rápida transformação de fase do ZrO2 durante o aquecimento limita a sua temperatura de serviço, resultando numa vida útil relativamente curta para o revestimento de barreira térmica. A segunda etapa foi a utilização de camadas cerâmicas de ZrO2 (YSZ) parcialmente estabilizadas com 6% em peso ~ 8% em peso de Y2O3. A dopagem com o óxido de terras raras Y2O3 aumentou a temperatura de transformação de fase do ZrO2, melhorou a estabilidade da fase de alta-temperatura do sistema cerâmico e o YSZ ainda é o material cerâmico de revestimento de barreira térmica mais amplamente utilizado em todo o mundo.
No entanto, à medida que as temperaturas de serviço aumentam gradualmente, o sistema YSZ expôs gradualmente as suas limitações na estabilidade de fase, resistência à sinterização e desempenho de fadiga do ciclo térmico. Especialmente em ambientes-de alta temperatura acima de 1.200 graus, o YSZ é propenso à transformação de fase, levando à fragilização estrutural e falha do revestimento. Para resolver estes problemas, os investigadores começaram a explorar novos sistemas de materiais cerâmicos.
Pós à base de-zircônio: o primeiro obstáculo para a "armadura-isolante térmica" dos revestimentos de barreira térmica.
Em aplicações de revestimento de barreira térmica, os revestimentos preparados a partir de "pós de óxido de nano zircônio e pós de óxido de zircônio esféricos ocos" apresentam desempenho mais excelente do que os revestimentos microestruturados tradicionais.
Devido à sua "microestrutura única", os revestimentos de barreira térmica nanoestruturados geralmente apresentam maior resistência à sinterização e melhor tolerância à deformação, melhorando significativamente a vida útil do revestimento. Os revestimentos de barreira térmica estruturados esféricos ocos, devido às suas "características porosas", podem efetivamente reduzir a condutividade térmica do revestimento e proporcionar melhor isolamento térmico, ao mesmo tempo que apresentam melhor estabilidade e outras características. As características do pó inicial de óxido de zircônio têm influência decisiva no desempenho do revestimento. Portanto, otimizar os processos existentes-de produção de pó ou explorar outros mais excelentes e desenvolver novos tipos de pó com melhor desempenho é um caminho fundamental para melhorar o desempenho de revestimentos de barreira térmica e atender aos requisitos de campos avançados e sofisticados.
Os métodos de preparação para pós usados em revestimentos de barreira térmica de alta-temperatura à base de zircônio incluem deposição de vapor, método de sal fundido, método de sol-gel, método de precipitação homogênea, método hidrotérmico, método de modelo e outros. Entre eles, o particularmente notável "método hidrotérmico", como método de preparação química com grande potencial de desenvolvimento, apresenta vantagens notáveis na preparação de pós de nanoóxido de zircônio puro/dopado. O método de modelo pode controlar com precisão o diâmetro e a espessura da parede de esferas ocas, selecionando agentes de modelo de diferentes tamanhos, e é um meio eficaz de obter uma preparação controlável de estruturas esféricas ocas. A pirólise em spray é mais adequada para produção em-grande escala, formando estruturas esféricas ocas em uma única etapa através dos processos de atomização, secagem e pirólise de um líquido-controlado por precursor.
Comparação das principais tecnologias de preparação para materiais em pó à base de{{0}zircônio
Apresentamos terras raras para desenvolver novas camadas cerâmicas de barreira térmica-à base de zircônio.
Por um lado, melhorar os materiais de revestimento de barreira térmica existentes e, ao mesmo tempo, dopar com vários óxidos de terras raras-óxido de itérbio, óxido de escândio, óxido de gadolínio, óxido de cério-pode produzir efeitos completamente diferentes.
Por outro lado, o desenvolvimento de novos pós compostos à base de zircônio-(como sistemas compostos de óxido de zircônio e sais de terras raras) também se tornou uma importante direção de pesquisa.
Comparados com YSZ, os materiais de zirconato de terras raras (RE2Zr2O7) apresentam menor condutividade térmica, maior estabilidade de fase e melhor resistência à sinterização, tornando-os candidatos principais para a próxima geração de materiais cerâmicos TBC. Estudos mostram que as excelentes propriedades dos zirconatos de terras raras podem melhorar significativamente o desempenho do choque térmico e a vida útil do ciclo térmico dos revestimentos. Por exemplo, na estrutura de revestimento de camada dupla-de La2Zr2O7 e 8YSZ, o material externo La2Zr2O7 pode reduzir significativamente a condutividade térmica e aumentar o número de choques térmicos e a vida de oxidação térmica, demonstrando a vantagem sinérgica de "baixa condutividade térmica-alta estabilidade".
Além disso, nos últimos anos, os tantalatos de terras raras (RE2Ta2O7) e os niobatos de terras raras (RE2Nb2O7), como materiais com condutividade térmica ultra-baixa e excelente estabilidade térmica, tornaram-se novos pontos de pesquisa. Devido à sua fraca tenacidade, a sua aplicação como materiais de revestimento é limitada. A pesquisa atual concentra-se principalmente em alcançar a complementaridade funcional de materiais através de estruturas compostas multicamadas ou estruturas gradientes.