stringtranslate.com

Термобарьерное покрытие

Теплозащитное покрытие (белого цвета) на направляющем аппарате турбины турбовентиляторного двигателя V2500.

Теплозащитные покрытия ( TBC ) — это современные системы материалов, которые обычно наносятся на металлические поверхности деталей, работающих при повышенных температурах, таких как камеры сгорания и турбины газовых турбин , а также в системах управления теплом выхлопных газов автомобилей . Эти покрытия из теплоизоляционных материалов толщиной от 100 мкм до 2 мм служат для изоляции деталей от больших и длительных тепловых нагрузок и способны выдерживать значительную разницу температур между несущими сплавами и поверхностью покрытия. [1] При этом эти покрытия могут обеспечивать более высокие рабочие температуры, ограничивая при этом тепловое воздействие на компоненты конструкции, продлевая срок службы деталей за счет снижения окисления и термической усталости . В сочетании с активным пленочным охлаждением TBC допускают температуру рабочей жидкости выше точки плавления металлического профиля в некоторых турбинах. В связи с растущим спросом на более эффективные двигатели, работающие при более высоких температурах, с большей долговечностью/сроком службы и более тонкими покрытиями для уменьшения паразитной массы вращающихся/движущихся компонентов, существует значительная мотивация для разработки новых и усовершенствованных TBC. Требования к материалам TBC аналогичны требованиям к теплозащитным экранам , хотя в последнем случае излучательная способность имеет большее значение. [ нужна цитата ]

Состав

TBC и связанные с ним слои. Охлаждающий воздух часто проходит через металлическую подложку для улучшения охлаждения.

Эффективный TBC должен отвечать определенным требованиям, чтобы хорошо работать в агрессивных термомеханических средах. [2] Чтобы справиться с напряжениями теплового расширения во время нагрева и охлаждения, необходима адекватная пористость, а также соответствующее соответствие коэффициентов теплового расширения поверхности металла, которую покрывает TBC. Фазовая стабильность необходима для предотвращения значительных изменений объема (которые происходят во время фазовых переходов), которые могут привести к растрескиванию или отслаиванию покрытия . В воздушно-реактивных двигателях необходима стойкость к окислению, а также хорошие механические свойства вращающихся/движущихся частей или частей, находящихся в контакте. Таким образом, общие требования к эффективному TBC можно резюмировать как необходимость: 1) высокая температура плавления. 2) отсутствие фазового превращения между комнатной температурой 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 строго ограничивают количество материалов, которые можно использовать, при этом керамические материалы обычно могут удовлетворять требуемым свойствам. [3]

Покрытия с термобарьером обычно состоят из четырех слоев: металлическая подложка, металлическое связующее покрытие, термически выращенный оксид (TGO) и керамическое верхнее покрытие. Керамическое верхнее покрытие обычно состоит из оксида циркония, стабилизированного иттрием (YSZ), который имеет очень низкую проводимость, оставаясь при этом стабильным при номинальных рабочих температурах, обычно наблюдаемых в применениях TBC. Этот керамический слой создает самый большой температурный градиент TBC и поддерживает нижние слои при более низкой температуре, чем поверхность. Однако выше 1200 ° C YSZ подвергается неблагоприятным фазовым превращениям: от t'-тетрагонального к тетрагональному, кубическому и моноклинному. Такие фазовые превращения приводят к образованию трещин внутри верхнего покрытия. Недавние попытки разработать альтернативу керамическому верхнему покрытию YSZ выявили множество новых керамических материалов (например, цирконаты редкоземельных элементов), демонстрирующих превосходные характеристики при температурах выше 1200 °C, но с более низкой вязкостью разрушения по сравнению с YSZ. Кроме того, такие цирконаты могут иметь высокую концентрацию вакансий ионов кислорода, что может способствовать транспорту кислорода и усугублять образование ТГО. При достаточно толстом ТГО может произойти отслаивание покрытия, что является катастрофическим выходом из строя ТБП. Использование таких покрытий потребует дополнительных покрытий, более устойчивых к окислению, таких как оксид алюминия или муллит. [4]

Соединительное покрытие представляет собой устойчивый к окислению металлический слой, который наносится непосредственно на металлическую подложку. Обычно он имеет толщину 75–150 мкм и изготавливается из сплава NiCrAlY или NiCoCrAlY, хотя существуют и другие связующие покрытия из алюминидов Ni и Pt. Основная цель связующего слоя — защитить металлическую основу от окисления и коррозии, особенно от кислорода и коррозийных элементов, которые проходят через пористое керамическое верхнее покрытие.

В пиковых условиях эксплуатации газотурбинных двигателей с температурой выше 700 °C окисление связующего слоя приводит к образованию термически выращенного оксидного слоя (ТГО). Образование слоя ТГО неизбежно для многих высокотемпературных применений, поэтому термобарьерные покрытия часто проектируются так, чтобы слой ТГО рос медленно и равномерно. Такой TGO будет иметь структуру с низким коэффициентом диффузии кислорода, так что дальнейший рост будет контролироваться диффузией металла из связующего покрытия, а не диффузией кислорода из верхнего покрытия. [5]

TBC также может быть локально модифицирован на границе раздела между связующим слоем и термически выращенным оксидом, чтобы он действовал как термографический люминофор , что позволяет дистанционно измерять температуру.

Механизмы отказа

В целом механизмы отказа TBC очень сложны и могут значительно различаться от TBC к TBC и в зависимости от среды, в которой происходит термоциклирование. По этой причине механизмы отказа до сих пор до конца не изучены. [5] [6] Несмотря на такое множество механизмов разрушения и их сложность, тем не менее, три наиболее важных механизма отказа связаны с ростом термически выращенного оксидного слоя (TGO), термическим ударом и спеканием верхней части. пальто (ТС), обсуждаемое ниже. Дополнительные факторы, способствующие выходу из строя ТБП, включают механическое смятие связующего покрытия при термоциклическом воздействии (особенно покрытий в авиационных двигателях), ускоренное окисление при высоких температурах, горячую коррозию и деградацию расплавленных отложений.

Рост слоя ТГО

Рост термически выращенного оксидного слоя (TGO) является наиболее важной причиной разрушения TBC при отколе . [5] Когда TGO образуется при нагревании TBC, это вызывает сжимающее напряжение роста , связанное с объемным расширением. При охлаждении между TGO и верхним слоем (TC) возникает деформация несоответствия решетки из-за разных коэффициентов теплового расширения . Деформация несоответствия решеток относится к деформации, которая возникает, когда две кристаллические решетки на границе раздела имеют разные постоянные решетки и, тем не менее, должны совпадать друг с другом там, где они встречаются на границе раздела. Эти напряжения роста и напряжения несоответствия решетки, которые увеличиваются с увеличением количества циклов, приводят к пластической деформации , зарождению и распространению трещин, что в конечном итоге способствует разрушению TBC после многих циклов нагрева и охлаждения. По этой причине, чтобы сделать TBC, который прослужит долгое время до выхода из строя, коэффициенты теплового расширения между всеми слоями должны хорошо совпадать. [5] [7] В то время как высокая скорость ползучести BC увеличивает растягивающие напряжения, присутствующие в TC из-за роста TGO, высокая скорость ползучести TGO фактически уменьшает эти растягивающие напряжения. [7]

Поскольку TGO состоит из Al 2 O 3 , а металлическое связующее покрытие (BC) обычно изготавливается из алюминийсодержащего сплава , образование TGO имеет тенденцию к истощению содержания Al в связующем покрытии. Если в BC заканчивается алюминий для снабжения растущего TGO, в TGO могут попасть другие соединения, кроме Al 2 O 3 (например, Y 2 O 3 ), что ослабляет TGO, облегчая TBC потерпит неудачу. [5]

Тепловой удар

Поскольку целью TBC является изоляция металлических подложек, чтобы их можно было использовать в течение длительного времени при высоких температурах, они часто подвергаются термическому удару , то есть напряжению, которое возникает в материале, когда он подвергается быстрому изменению температуры. Этот термический удар является основной причиной выхода из строя TBC, поскольку напряжения термического удара могут вызвать растрескивание TBC, если они достаточно сильные. Фактически, повторяющиеся тепловые удары, связанные с многократным включением и выключением двигателя, являются основной причиной выхода из строя лопаток турбин с покрытием TBC в самолетах. [6]

В ходе повторяющихся циклов быстрого нагрева и охлаждения термический удар приводит к значительным растягивающим деформациям, перпендикулярным границе раздела БЦ и ТК, достигающим максимальной величины на границе раздела БЦ/ТК, а также к периодическому полю деформаций в направлении параллельно интерфейсу BC/TC. Эти деформации могут привести к зарождению и распространению трещин, как параллельно, так и перпендикулярно границе раздела BC/TC, особенно после многих циклов нагрева и охлаждения. Эти связанные друг с другом горизонтальные и вертикальные трещины, возникающие в результате термического удара, в конечном итоге способствуют выходу из строя TBC из-за расслоения TC. [6]

Спекание

Третьей основной причиной отказа TBC является спекание TC. [8] В приложениях TBC YSZ имеет столбчатую структуру. Эти колонны изначально имеют перистую структуру, но при нагревании становятся более гладкими из-за диффузии атомов при высокой температуре, чтобы минимизировать поверхностную энергию. Волнистость соседних более гладких колонн со временем касается друг друга и начинает сливаться. По мере того, как YSZ спекается и становится более плотным, он сжимается в размерах, что приводит к образованию трещин по механизму, аналогичному образованию грязевых трещин , когда верхний слой сжимается, а нижний слой (BC в случае TBC , или земля в случае грязи) остается того же размера. [9]

Обратите внимание, что если колонны размещены на изогнутой поверхности, перпендикулярной этой поверхности, то плотность колонн обязательно будет высокой над впадинами на поверхности и низкой над пиками поверхности из-за наклона прямых стержней.

Этот эффект растрескивания грязи может усугубиться, если подстилающая основа шероховатая или если она становится шероховатой при нагревании по следующей причине. Если поверхность под колоннами изогнутая и если колонны можно смоделировать как прямые стержни, нормальные к поверхности под ними, то плотность колонн обязательно будет высокой над впадинами на поверхности и низкой над выступами на поверхности из-за наклона колонны. прямые стержни. Это приводит к неравномерной столбчатой ​​плотности по всему TBC и способствует развитию трещин в регионах с низкой плотностью. [9]

В дополнение к этому эффекту растрескивания грязи, спекание увеличивает модуль Юнга TC, поскольку колонны прикрепляются друг к другу. Это, в свою очередь, увеличивает деформацию несоответствия решетки на границе раздела между TC и BC или TGO. Повышенный модуль Юнга TC затрудняет изгиб его решетки, чтобы соответствовать решетке подложки под ним; это является причиной увеличения деформации несоответствия решетки. В свою очередь, эта повышенная деформация несоответствия суммируется с другими ранее упомянутыми полями деформации в TC, способствуя образованию и распространению трещин, что приводит к выходу из строя TBC. [10]

Типы

[3]

ЯСЗ

YSZ является наиболее широко изученным и используемым TBC, поскольку он обеспечивает превосходные 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 помощью известной тогда технологии плазменного напыления. [2] Что касается свойств, он имеет низкую теплопроводность, высокий коэффициент теплового расширения и низкую термостойкость. Однако он имеет довольно низкий рабочий предел в 1200 °C из-за фазовой нестабильности и может подвергаться коррозии из-за прозрачности для кислорода.

Муллит

Муллит представляет собой соединение оксида алюминия и кремнезема с формулой 3Al2O3-2SiO2. Он имеет низкую плотность, хорошие механические свойства, высокую термическую стабильность, низкую теплопроводность, устойчив к коррозии и окислению. Однако при температуре выше 800 °C он страдает от кристаллизации и сжатия объема, что приводит к растрескиванию и расслоению . Следовательно, этот материал пригоден в качестве альтернативы диоксиду циркония для таких применений, как дизельные двигатели , где температуры поверхности относительно низкие, а колебания температуры по покрытию могут быть большими.

глинозем

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 ТБЦ. 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, связанных с оксидом алюминия, является нанесение покрытия посредством плазменного напыления, которое имеет тенденцию создавать множество нестабильных фаз, таких как γ-оксид алюминия. Когда эти фазы в конечном итоге превращаются в стабильную α-фазу в результате термоциклирования, происходит значительное изменение объема на ~ 15% (от γ до α), что может привести к образованию микротрещин в покрытии.

СеО2 + YSZ

CeO2 (Ceria) имеет более высокий коэффициент теплового расширения и более низкую теплопроводность, чем YSZ. Добавление церия в покрытие YSZ может значительно улучшить характеристики TBC, особенно устойчивость 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 церия включают снижение твердости и ускорение скорости спекания покрытия (менее пористое).

Редкоземельные цирконаты

La 2 Zr 2 O 7 , также называемый LZ, является примером редкоземельного цирконата, который имеет потенциал для использования в качестве TBC. Этот материал фазостабилен вплоть до точки плавления и в значительной степени допускает наличие вакансий в любой из своих подрешеток. Наряду с возможностью замены сайта другими элементами это означает, что тепловые свойства потенциально можно адаптировать. Хотя он имеет очень низкую теплопроводность по сравнению с YSZ, он также имеет низкий коэффициент теплового расширения и низкую ударную вязкость.

Редкоземельные оксиды

Однофазные и смешанные материалы, состоящие из оксидов редкоземельных металлов, представляют собой многообещающий недорогой подход к TBC. Покрытия из оксидов редкоземельных металлов (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 устойчивость к термическому удару. Еще одним преимуществом оксидов редкоземельных металлов в качестве TBC является их склонность проявлять внутреннюю гидрофобность , [11] которая обеспечивает различные преимущества для систем, которые подвергаются периодическому использованию и в противном случае могут страдать от адсорбции влаги или образования поверхностного льда.

Металлостеклянные композиты

Порошковую смесь металла и обычного стекла можно распылить плазмой в вакууме, при этом соответствующий состав приведет к получению TBC, сравнимого с YSZ. Кроме того, композиты металл-стекло имеют превосходную адгезию к связующему покрытию, более высокие коэффициенты теплового расширения и отсутствие открытой пористости, что предотвращает окисление связующего покрытия.

Использование

Термобарьерное покрытие на компоненте автомобильной выхлопной системы
Термобарьерное покрытие на углеродном композиционном материале

Автомобильная промышленность

Керамические покрытия с термобарьером становятся все более распространенными в автомобильной промышленности. Они специально разработаны для снижения потерь тепла от компонентов выхлопной системы двигателя, включая выпускные коллекторы , кожухи турбокомпрессора , выпускные коллекторы, водосточные и выхлопные трубы. Этот процесс также известен как « управление теплом выхлопных газов ». При использовании под капотом они оказывают положительное влияние на снижение температуры в моторном отсеке и, следовательно, на температуру всасываемого воздуха.

Хотя большинство керамических покрытий наносятся на металлические детали, непосредственно связанные с выхлопной системой двигателя, технологические достижения теперь позволяют наносить термобарьерные покрытия посредством плазменного напыления на композитные материалы. В настоящее время компоненты с керамическим покрытием можно встретить в современных двигателях и высокопроизводительных компонентах гоночных серий, таких как Формула-1 . Эти покрытия не только обеспечивают тепловую защиту, но и предотвращают физическую деградацию композитного материала из-за трения. Это возможно, поскольку керамический материал связывается с композитом (а не просто прилипает к поверхности краской), образуя тем самым прочное покрытие, которое не отслаивается и не отслаивается.

Хотя термобарьерные покрытия наносились на внутреннюю часть компонентов выхлопной системы, возникали проблемы из-за сложности подготовки внутренней поверхности перед нанесением покрытия.

Авиация

Теплозащитные покрытия обычно используются для защиты суперсплавов на основе никеля как от плавления, так и от термоциклирования в авиационных турбинах. В сочетании с потоком холодного воздуха TBC повышают допустимую температуру газа выше температуры плавления суперсплава. [12]

Чтобы избежать трудностей, связанных с температурой плавления суперсплавов, многие исследователи исследуют композиты с керамической матрицей (КМК) в качестве высокотемпературной альтернативы. Обычно они изготавливаются из армированного волокном SiC. Вращающиеся детали особенно хорошо подходят для замены материала из-за огромной усталости, которую они испытывают. CMC не только имеют лучшие тепловые свойства, но и легче, а это означает, что для создания такой же тяги для более легкого самолета потребуется меньше топлива. [13] Однако существенное изменение не обошлось 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 [14]

Термодинамические данные для этих реакций были экспериментально определены в течение многих лет, чтобы определить, что Si(OH) 4 обычно является доминирующей разновидностью пара. [15] Для защиты этих КМЦ от водяного пара, а также других вредных воздействий окружающей среды необходимы еще более совершенные экологически барьерные покрытия. Например, при повышении температуры газа 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 решить, прежде чем турбины увидят значительное увеличение эффективности от повышения температуры. [16]

Обработка

В промышленности термобарьерные покрытия производят несколькими способами:

Кроме того, разработка современных покрытий и методов обработки является областью активных исследований. Одним из таких примеров является процесс плазменного напыления прекурсора раствора , который использовался для создания TBC с одной из самых низких зарегистрированных теплопроводностей без ущерба для термоциклической стойкости. [ нужна цитата ]

Смотрите также

Рекомендации

На Wikimedia Commons есть средства массовой информации, связанные с термобарьерным покрытием .
  1. ^ Ф.Ю и Т.Д.Беннетт (2005). «Неразрушающий метод определения термических свойств термобарьерных покрытий». Дж. Прил. Физ . 97 (1): 013520–013520–12. Бибкод : 2005JAP....97a3520B. дои : 10.1063/1.1826217.
  2. ^ аб Кларк, Дэвид Р.; Филпот, Саймон Р. (2005). «Материалы теплозащитных покрытий». Материалы сегодня . 8 (6): 22–29. дои : 10.1016/S1369-7021(05)70934-2 .
  3. ^ аб Цао, Вассен Р., Стовер Д. (2004). «Керамические материалы для термобарьерных покрытий». Журнал Европейского керамического общества . 24 (1): 1–10. дои : 10.1016/s0955-2219(03)00129-8.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  4. ^ Цао XQ, Вассен Р., Стовер Д. (2004). «Керамические материалы для термобарьерных покрытий». Журнал Европейского керамического общества . 24 (1): 1–10. дои : 10.1016/s0955-2219(03)00129-8.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  5. ^ abcde Падчер Нитин П.; Гелл Морис; Джордан Эрик Х. (2002). «Теплозащитные покрытия для газотурбинных двигателей». Наука . 296 (5566): 280–284. Бибкод : 2002Sci...296..280P. дои : 10.1126/science.1068609. PMID  11951028. S2CID  19761127.
  6. ^ abc Чжан, Хунъе; Лю, Чжанвэй; Ян, Сяобо; Се, Хуэйминь (30 марта 2019 г.). «Поведение термобарьерных покрытий YSZ при разрушении интерфейса при термическом ударе». Журнал сплавов и соединений . 779 : 686–697. дои : 10.1016/j.jallcom.2018.11.311. S2CID  139569993.
  7. ^ Аб Вэй, Чжи-Юань; Цай, Хун-Нэн; Тахир, Аднан; Чжан, Вэй-Вэй; Ли, Сюэ-Фэн; Чжан, Ян; Хуан, Я-Пин; Лю, Ян (ноябрь 2019 г.). «Напряженные состояния в термобарьерных покрытиях, напыленных плазмой, при циклическом изменении температуры: комбинированные эффекты ползучести, пластической деформации и роста TGO». Керамика Интернешнл . 45 (16): 19829–19844. doi :10.1016/j.ceramint.2019.06.238. S2CID  197621352.
  8. ^ Аренс, М.; Лампенсшерф, С.; Вассен, Р.; Стовер, Д. (сентябрь 2004 г.). «Процессы спекания и ползучести в плазменно-напыленных термобарьерных покрытиях». Журнал технологии термического напыления . 13 (3): 432–442. Бибкод : 2004JTST...13..432A. дои : 10.1361/10599630420434. S2CID  135779331.
  9. ^ аб Луги, Ванни; Толпыго, Владимир К.; Кларк, Дэвид Р. (15 марта 2004 г.). «Микроструктурные аспекты спекания термобарьерных покрытий». Материаловедение и инженерия: А. 368 (1–2): 212–221. doi : 10.1016/j.msea.2003.11.018.
  10. ^ Ченг, Бо; Чжан, Ю-Мин; Ян, Нин; Чжан, Мэн; Чен, Линь; Ян, Гуань-Цзюнь; Ли, Чэн-Синь; Ли, Чан-Цзю (21 февраля 2017 г.). «Расслоение термобарьерных покрытий, вызванное спеканием, методом градиентного термоциклического испытания». Журнал Американского керамического общества . 100 (5): 1820–1830. дои : 10.1111/jace.14713.
  11. ^ Фронзи, М. и др. (2019). Теоретические представления о гидрофобности поверхностей CeO2 с низким индексом. Прикладная наука о поверхности. 478, 68-74
  12. ^ Перепезко Ю.Х. (2009). «Чем горячее двигатель, тем лучше». Наука . 326 (5956): 1068–1069. Бибкод : 2009Sci...326.1068P. дои : 10.1126/science.1179327. PMID  19965415. S2CID  38747553.
  13. ^ Эванс АГ; Кларк Д.Р.; Леви К.Г. (2008). «Влияние оксидов на работу современных газовых турбин». Журнал Европейского керамического общества . 28 (7): 1405–1419. doi : 10.1016/j.jeurceramsoc.2007.12.023.
  14. ^ Падчер НП; Гелл М.; Джордан Э.Х. (2002). «Теплозащитные покрытия для газотурбинных двигателей». Наука . 296 (5566): 280–284. Бибкод : 2002Sci...296..280P. дои : 10.1126/science.1068609. PMID  11951028. S2CID  19761127.
  15. ^ Джейкобсон, Натан С.; Опила, Элизабет Дж.; Майерс, Дуайт Л.; Копленд, Эван Х. (1 октября 2005 г.). «Термодинамика газовой фазы в системе Si – O – H». Журнал химической термодинамики . 37 (10): 1130–1137. Бибкод : 2005JChTh..37.1130J. doi :10.1016/j.jct.2005.02.001. ISSN  0021-9614.
  16. ^ Чжао Х.; Леви К.Г.; Уодли ХНГ (2014). «Взаимодействие расплавленного силиката с термобарьерными покрытиями». Технология поверхностей и покрытий . 251 : 74–86. doi :10.1016/j.surfcoat.2014.04.007.

Внешние ссылки