Термобарьерное покрытие - Thermal barrier coating

Термобарьерное покрытие (белого цвета) на направляющая лопатка турбины в V2500 турбовентиляторный двигатель

Термобарьерные покрытия (ТБП) представляют собой современные системы материалов, обычно применяемые для металлических поверхностей, работающих при повышенных температурах, таких как газовая турбина или части авиационного двигателя, как форма управление вытяжным теплом. Эти покрытия толщиной от 100 мкм до 2 мм теплоизоляционный материалы служат для изоляции компонентов от больших и продолжительных тепловых нагрузок и могут выдерживать значительную разница температур между несущими сплавами и поверхностью покрытия.[1] При этом эти покрытия могут обеспечивать более высокие рабочие температуры, ограничивая термическое воздействие на компоненты конструкции, продлевая срок службы деталей за счет сокращения окисление и термическая усталость. В сочетании с активным пленочным охлаждением ТБП допускают более высокие температуры рабочей жидкости, чем температура плавления металлического аэродинамического профиля в некоторых применениях турбин. Из-за растущего спроса на более эффективные двигатели, работающие при более высоких температурах, с большей прочностью / сроком службы и более тонкими покрытиями для уменьшения паразитарная масса Для вращающихся / движущихся компонентов существует значительная мотивация для разработки новых и усовершенствованных TBC. Требования к материалам ТБП аналогичны требованиям тепловые экраны, хотя в последнем приложении излучательная способность имеет тенденцию иметь большее значение.[нужна цитата ]

Структура

TBC и связанные слои. Охлаждающий воздух часто пропускается через металлическую основу для улучшения охлаждения.

Эффективный TBC должен соответствовать определенным требованиям, чтобы хорошо работать в агрессивных термомеханических средах.[2] Иметь дело с тепловое расширение напряжения во время нагрева и охлаждения, необходима соответствующая пористость, а также соответствующее соответствие коэффициенты теплового расширения с металлической поверхностью, покрытой ТВС. Фазовая стабильность необходима для предотвращения значительных изменений объема (которые происходят во время фазовых переходов), которые могут вызвать растрескивание покрытия или скол. В двигателях с воздушным дыханием необходима стойкость к окислению, а также хорошие механические свойства для вращающихся / движущихся частей или частей, находящихся в контакте. Таким образом, общие требования к эффективному ТБП можно резюмировать следующим образом: 1) высокая температура плавления. 2) отсутствие фазового превращения между комнатной температурой и рабочей температурой. 3) low (низкий) теплопроводность. 4) химическая инертность. 5) аналогичное тепловое расширение соответствует металлической подложке. 6) хорошая адгезия к основанию. 7) низкая скорость спекания пористой микроструктуры. Эти требования резко ограничивают количество материалов, которые могут быть использованы, при этом керамические материалы обычно могут соответствовать требуемым свойствам.[3]

Термобарьерные покрытия обычно состоят из четырех слоев: металлической подложки, металлического связующего покрытия, термически выращенный оксид (TGO), и керамическое финишное покрытие. Керамическое финишное покрытие обычно состоит из оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (YSZ), который имеет очень низкую проводимость, оставаясь стабильным при номинальных рабочих температурах, которые обычно наблюдаются в приложениях TBC. Этот керамический слой создает самый большой температурный градиент ТВП и сохраняет нижние слои при более низкой температуре, чем поверхность. Однако выше 1200 ° C YSZ страдает от неблагоприятных фазовых превращений, переходя 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, цирконатов 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 кислородно-ионных вакансий, что может способствовать переносу кислорода и усугублять образование TGO. При достаточно толстом TGO может произойти растрескивание покрытия, что является катастрофическим режимом отказа для TBC. Использование таких покрытий потребует дополнительных покрытий, более устойчивых к окислению, таких как оксид алюминия или муллит.[4]

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

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

TBC также можно локально модифицировать на границе раздела между связующим покрытием и термически выращенным оксидом, чтобы он действовал как термографический люминофор, что позволяет дистанционно измерять температуру

Отказ

TBC выходят из строя из-за различных режимов разрушения, включая механическое смятие связующего покрытия во время термоциклического воздействия (особенно покрытий в авиационных двигателях), ускоренное окисление, горячую коррозию или разрушение расплавленных отложений. Также существуют проблемы с окислением (участки TBC начинают удаляться) TBC, что резко сокращает срок службы металлического компонента, что приводит к термической усталости.

Ключевой особенностью всех компонентов TBC является необходимость согласования коэффициентов теплового расширения между всеми слоями. Термобарьерные покрытия расширяются и сжимаются с разной скоростью при нагревании и охлаждении окружающей среды, поэтому, если материалы разных слоев имеют плохо согласованные коэффициенты теплового расширения, возникает деформация, которая может привести к растрескиванию и, в конечном итоге, разрушению покрытия.

Растрескивание в слое термически выращенного оксида (TGO) между верхним покрытием и связующим слоем является наиболее частым видом отказа для покрытий лопаток газовых турбин. Рост TGO вызывает напряжение, связанное с объемным расширением, которое сохраняется при всех температурах. Когда система охлаждается, из-за несовпадения коэффициентов теплового расширения возникает еще большее несоответствие. В результате возникают очень высокие (2-6 ГПа) напряжения, которые возникают при низкой температуре и могут вызвать растрескивание и, в конечном итоге, отслоение барьерного покрытия. Образование TGO также приводит к истощению Al в связующем покрытии. Это может привести к образованию нежелательных фаз, которые вносят вклад в напряжения несовпадения. Все эти процессы ускоряются термоциклированием, которому на практике подвергаются многие термобарьерные покрытия.[6]

Типы[7]

YSZ

YSZ является наиболее широко изучаемым и используемым TBC, поскольку он обеспечивает отличные 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 использованием известной тогда технологии плазменного напыления.[8] Что касается свойств, он имеет низкую теплопроводность, высокий коэффициент теплового расширения и низкую термостойкость. Однако он имеет довольно низкий рабочий предел 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, а также хорошие механические свойства, высокую термическую стабильность, низкую теплопроводность, а также устойчивость к коррозии и окислению. Однако при температурах выше 800 ° C он страдает от кристаллизации и сжатия, что приводит к растрескиванию и расслоение. Таким образом, этот материал подходит в качестве альтернативы диоксиду циркония для таких применений, как дизельные двигатели, где температура поверхности относительно низкая, а колебания температуры по покрытию могут быть значительными.

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 TBC. За счет включения оксида алюминия в YSZ TBC можно улучшить стойкость к окислению и коррозии, а также твердость и прочность сцепления без значительного изменения модуль упругости или жесткость. Одной из проблем с оксидом алюминия является нанесение покрытия путем 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, следует значительное изменение объема на ~ 15% (от γ до α), что может привести к образованию микротрещин в покрытии.

CeO2 + YSZ

CeO2 (церия) имеет более высокий коэффициент теплового расширения и более низкую теплопроводность, чем YSZ. Добавление оксида церия в покрытие YSZ может значительно улучшить характеристики TBC, особенно в тепловой удар сопротивление. Скорее всего, это связано с меньшим напряжением связующего слоя из-за лучшей изоляции и лучшего коэффициента теплового расширения. Некоторые отрицательные эффекты добавления оксида церия включают снижение твердости и ускорение скорости спекания покрытия (менее пористое).

Цирконаты редкоземельных элементов

Ла2Zr2О7, также называемый LZ, представляет собой пример цирконата редкоземельного элемента, который показывает потенциал для использования в качестве TBC. Этот материал является фазово-стабильным до температуры плавления и может в значительной степени допускать наличие вакансий на любой из своих подрешеток. Наряду со способностью к замещению сайтов другими элементами это означает, что термические свойства потенциально могут быть изменены. Хотя он имеет очень низкую теплопроводность по сравнению с YSZ, он также имеет низкий коэффициент теплового расширения и низкую вязкость.

Оксиды редкоземельных элементов

Смесь оксидов редкоземельных элементов легко доступна, дешева и может быть многообещающей в качестве эффективных ТВП. Покрытия из оксидов редкоземельных элементов (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 сопротивление тепловому удару.

Композиты металл-стекло

Порошковая смесь металла и обычного стекла может быть напылена плазмой в вакууме с подходящим составом, в результате чего TBC сравним с YSZ. Кроме того, композиты металл-стекло имеют превосходную адгезию связующего покрытия, более высокие коэффициенты теплового расширения и отсутствие открытой пористости, что предотвращает окисление связующего покрытия.

Использует

Термобарьерное покрытие компонента автомобильной выхлопной системы
Термобарьерное покрытие на углеродном композитном материале

Автомобильная промышленность

Тепловой барьер керамика покрытия становятся все более распространенными в автомобильной промышленности. Они специально разработаны для уменьшения потерь тепла от двигателя. вытяжная система компоненты, включая выпускные коллекторы, турбокомпрессор кожухи, выпускные коллекторы, водосточные и выхлопные трубы. Этот процесс также известен как "управление вытяжным теплом ". При использовании под капотом они положительно влияют на снижение температуры моторного отсека, тем самым снижая температуру всасываемого воздуха.

Хотя большинство керамических покрытий наносится на металлические детали, непосредственно связанные с выхлопной системой двигателя, технологические достижения теперь позволяют наносить термобарьерные покрытия через плазменный спрей на композитные материалы. Сейчас обычным явлением стало обнаружение компонентов с керамическим покрытием в современных двигателях и высокопроизводительных компонентах гоночных серий, таких как Формула 1. Эти покрытия не только обеспечивают тепловую защиту, но также используются для предотвращения физического разрушения композитного материала из-за трения. Это возможно, потому что керамический материал связывается с композитом (вместо того, чтобы просто прилипать к поверхности с краской), тем самым образуя прочное покрытие, которое не отслаивается и не отслаивается.

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

Авиация

Заинтересованность в повышении эффективности газотурбинные двигатели для авиационных применений побудило исследовать более высокие температуры сгорания. КПД турбины сильно зависит от температуры сгорания. Более высокая температура сгорания улучшает термодинамический КПД машины, обеспечивая более благоприятное соотношение производимой работы по сравнению с отходящим теплом.[9][циркулярная ссылка ]Термобарьерные покрытия обычно используются для защиты суперсплавов на никелевой основе как от плавления, так и от термоциклирования в авиационных турбинах. В сочетании с потоком холодного воздуха ТБП повышают допустимую температуру газа выше точки плавления суперсплава.[10]

Чтобы избежать трудностей, связанных с температурой плавления суперсплавов, многие исследователи исследуют композиты с керамической матрицей (КМЦ) в ​​качестве высокотемпературной альтернативы. Как правило, они изготавливаются из армированного волокном SiC. Вращающиеся детали особенно хорошо подходят для замены материала из-за огромной усталости, которую они испытывают. КМЦ не только обладают лучшими тепловыми характеристиками, но и легче, а это означает, что для создания такой же тяги более легкого самолета потребуется меньше топлива.[11] Однако материальные изменения не обходятся без последствий. При высоких температурах эти КМЦ вступают в реакцию с водой и образуют газообразные соединения гидроксида кремния, которые разъедают КМЦ.

SiOH2 + H2O = SiO (ОН)2

SiOH2 + 2H2О = Si (ОН)4

2SiOH2 + 3H2O = Si2О (ОН)6[12]

Термодинамические данные для этих реакций были экспериментально определены в течение многих лет, чтобы определить, что Si (OH)4 обычно является доминирующим видом пара.[13] Для защиты этих CMC от водяного пара, а также других вредных факторов окружающей среды требуются еще более совершенные защитные покрытия для защиты окружающей среды. Например, когда температура газа увеличивается 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 устранить, прежде чем турбины увидят значительное повышение эффективности в результате повышения температуры.[14]

Обработка

В промышленности термобарьерные покрытия производятся несколькими способами:

  • Электронно-лучевое физическое осаждение из паровой фазы: EBPVD
  • Воздуха плазменный спрей: APS
  • Кислородное топливо с высокой скоростью: HVOF
  • Электростатическое осаждение из паровой фазы с помощью распыления: ESAVD
  • Прямое осаждение из паровой фазы

Кроме того, ведутся активные исследования в области разработки передовых покрытий и методов обработки. Одним из таких примеров является плазменный спрей-предшественник раствора процесс, который использовался для создания TBC с одними из самых низких заявленных значений теплопроводности без ущерба для термоциклической долговечности.[нужна цитата ]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ф.Ю и Т.Д. Беннетт (2005). «Неразрушающий метод определения тепловых свойств термобарьерных покрытий». J. Appl. Phys. 97: 013520. Дои:10.1063/1.1826217.
  2. ^ Кларк, Дэвид Р .; Филпот, Саймон Р. (2005). «Термобарьерные покрытия». Материалы сегодня. 8 (6): 22–29. Дои:10.1016 / S1369-7021 (05) 70934-2.
  3. ^ Цао, Вассен Р., Стоевер Д. (2004). «Керамические материалы для термобарьерных покрытий». Журнал Европейского керамического общества. 24 (1): 1–10. Дои:10.1016 / s0955-2219 (03) 00129-8.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  4. ^ Цао X.Q., Вассен Р., Стоевер Д. (2004). «Керамические материалы для термобарьерных покрытий». Журнал Европейского керамического общества. 24 (1): 1–10. Дои:10.1016 / s0955-2219 (03) 00129-8.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  5. ^ Padture Nitin P .; Гелл Морис; Джордан Эрик Х. (2002). «Термобарьерные покрытия для газотурбинных двигателей». Наука. 296 (5566): 280–284. Дои:10.1126 / science.1068609. PMID  11951028.
  6. ^ Padture Nitin P .; Гелл Морис; Джордан Эрик Х. (2002). «Термобарьерные покрытия для газотурбинных двигателей». Наука. 296 (5566): 280–284. Дои:10.1126 / science.1068609. PMID  11951028.
  7. ^ Цао, Вассен Р., Стоевер Д. (2004). «Керамические материалы для термобарьерных покрытий». Журнал Европейского керамического общества. 24 (1): 1–10. Дои:10.1016 / s0955-2219 (03) 00129-8.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  8. ^ Кларк, Дэвид Р .; Филпот, Саймон Р. (2005). «Термобарьерные покрытия». Материалы сегодня. 8 (6): 22–29. Дои:10.1016 / S1369-7021 (05) 70934-2.
  9. ^ Тепловой двигатель
  10. ^ Перепезко Ю. Х. (2009). «Чем горячее двигатель, тем лучше». Наука. 326 (5956): 1068–1069. Дои:10.1126 / science.1179327. PMID  19965415.
  11. ^ Evans A. G .; Clarke D. R .; Леви К. Г. (2008). «Влияние оксидов на работу перспективных газовых турбин». Журнал Европейского керамического общества. 28 (7): 1405–1419. Дои:10.1016 / j.jeurceramsoc.2007.12.023.
  12. ^ Padture N.P .; Gell M .; Джордан Э. Х. (2002). «Термобарьерные покрытия для газотурбинных двигателей». Наука. 296 (5566): 280–284. Дои:10.1126 / science.1068609. PMID  11951028.
  13. ^ Джейкобсон Натан С .; Опила Элизабет Дж .; Майерс Дуайт Л .; Копленд Эван Х. (2005). «Термодинамика газофазных частиц в системе Si – O – H». Журнал химической термодинамики. 37 (10): 1130–1137. Дои:10.1016 / j.jct.2005.02.001.
  14. ^ Zhao H .; Levi C.G .; Уодли Х. Н. Г. (2014). «Взаимодействие расплавленных силикатов с термобарьерными покрытиями». Технология поверхностей и покрытий. 251: 74–86. Дои:10.1016 / j.surfcoat.2014.04.007.

внешняя ссылка