Vývojový trend vysoce entropického tepelné bariéry s vysokou entropií materiály
S rostoucí poptávkou po výkonu v leteckých motorech, plynových turbínách, raketových motorech a hypersonických letadlech se vývoj odolných odolných proti teplotě, vysoké izolace a povlaky s dlouhým životem stal výzkumným hotspotem v oblasti tepelné bariéry s vysokou teplotou tepelné bariéry povlaky. Tepelné bariérové povlaky (TBC) jsou klíčovou technologií pro vysokotlaké lopatky turbíny, jádro horké koncové složky pokročilých plynových turbínových motorů. Materiál keramické izolační vrstvy TBC, který byl úspěšně aplikován v leteckých motorech a turbínách mletých plynů, je Yttria stabilizovaný zirkonia (YSZ). Vzhledem k omezením, jako je vysoká teplota a výkon tepelné izolace, již nemůže YSZ splňovat požadavky na vývoj příští generace letadlových motorů. Proto v posledním desetiletí provedli domácí a zahraniční vědci rozsáhlý a hloubný výzkum nových keramických materiálů tepelné bariéry, procesy přípravy, charakterizaci výkonu a predikci výkonu.
Potahování tepelné bariéry je technologie na ochranu povrchu vyvinutá pomocí keramických materiálů povlaku s nízkou tepelnou vodivostí, odolností proti korozi a dobrou stabilitou vysokoteplotní fáze na povrchu lomů turbíny letadlového motoru ve formě povlaků, aby se zlepšila tepelná účinnost a tah, aby se zlepšila tepelná účinnost a tah poměr hmotnosti. Má vlastnosti vysokého bodu tání, nízké tepelné vodivosti, stability struktury fáze vysoké teploty a silnou chemickou stabilitu. Tradiční a široce používaný systém tepelné bariéry znázorněný na obrázku 1 se skládá hlavně z keramické vrstvy na povrchu, tepelně pěstované oxidové (TGO) vrstvy generované oxidační reakcí a vazebné vrstvy.
Obr.1 Schematický diagram struktury povlaku tepelné bariéry
Keramické materiály s vysokou entropií tepelné bariéry jsou založeny na původní struktuře materiálu a zavádějí návrh místní entropie na speciálních atomových místech, což zlepšuje určité vlastnosti materiálu v důsledku designu s vysokou entropií a lépe splňuje požadavky na používání tepelné bariéry.
V současné době je většina konstrukcí s vysokou entropií v keramických materiálech s vysokou entropií tepelné bariéry založeno hlavně na prvcích vzácných zemin. Důvodem je to, že prvky lanthanidu mají charakteristiky rozdílů v atomové velikosti a podobných vlastností, které více přispívají k vytváření stabilních jednofázových pevných roztoků a dosažení cíle regulace komplexního výkonu materiálů. Snížení tepelné vodivosti tepelné vodivosti s vysokou entropií tepelné bariérové keramické materiály je významným trendem a do určité míry lze také ovládat tepelnou rozšiřování a houževnatost zlomenin. Abychom vyhověli vývojovým potřebám vysoce výkonných leteckých motorů s vysokým poměrem tahu k hmotnosti a nízkým poměrem spotřeby paliva pro příští generaci, existuje nekonečný proud kandidátních materiálů pro novou generaci keramiky tepelné bariéry. Zirsonáty s vysokou entropií vzácných zemin, vysoce entropická vzácná zemina a oxidy s vysokou entropií vzácných zemí jsou několik reprezentativních materiálů s velkým potenciálem pro budoucí nové tepelné bariérové povlak keramické vrstvy.
Výzkum keramické vrstvy tepelné bariéry se zaměřuje hlavně na čtyři aspekty: modifikace dopingu YSZ, sloučeniny typu A2B2O7, strukturu perovskitu a keramické materiály s vysokou entropií.
(1) Modifikace dopingu YSZ
Podle typu dopingového prvku lze jej rozdělit do jediného prvku a dopingu s více prvky, jak je znázorněno na obr. . Jak se iontový poloměr z sc 3+ do y 3+ postupně zvyšuje, stabilita se zlepší; Jak se poloměr y 3+ na La 3+ stále zvyšuje, stabilita se snižuje. Kromě toho se jako dopingové stabilizátory pro modifikaci používají také prvky vzácných zemin, jako jsou AL, HF, TA atd.
Doping více prvků může zvýšit výkon keramických materiálů, jako je zlepšení fázové stability a odolnost proti slinování a snížení tepelné vodivosti. Proto je více prvků Co -Doping zaměřen na výzkum modifikace YSZ. Avšak velikost poloměru, cenové rozpětí a obsah iontů dopovaných prvků na něj budou mít dopad a vzhledem k omezením samotného materiálu se doping blíží ke svému limitu při zlepšování jeho komplexního výkonu.
(2) Sloučenina A2B2O7
A2B2O7 (A=Prvky vzácných zemin, jako je LA/ND/SM/GD/DY/ER/YB, B=CE, Zr atd.) Oxidy typu mají silnou tepelnou odolnost, dobrá vysoká Stabilita teplotní fáze a řada typů A, B a O, které poskytují více možností pro tepelné bariérové povlaky. Tabulka 2 ukazuje koeficient tepelné vodivosti a tepelné rozšíření různých struktur A2B2O7. Ve srovnání s YSZ se stal výzkumným hotspotem kvůli významnému snížení tepelné vodivosti. Jeho aplikace je však omezena malou změnou koeficientu tepelné roztažnosti a špatným porovnávacím výkonem.
Obr.
(3) Struktura perovskitu
Strukturované materiály perovskite jsou ABO3 (a=la/ba/ca, B=SC, CR atd.) Typové struktury, které mají vynikající vlastnosti, jako je stabilní výkon při vysokých teplotách a nízká tepelná vodivost, “ učinit z nich potenciálními kandidáty na nové tepelné bariérové povlaky. Ve sloučeninách ABO3 je vazba AO slabší než BO vazba a čím blíže je schopnost atomů A a B přilákat elektrony, čím nižší je teoretická tepelná vodivost a čím lepší je odpor k poškození. Ejaz et al. ukázal, že při 1273 K je koeficient tepelné roztažnosti CAZRO3 12,4 × {{1 0}} k -1, zatímco koeficient tepelné roztažnosti YSZ je 1 {{3 0}}}} } .2 × 10-6 k -1. CAZRO3 má vyšší koeficient tepelné roztažnosti, nižší tepelnou vodivost a lepší stabilitu fáze vysoké teploty. Ma Bole et al. měřeno, že tepelná vodivost SRZRO3 se postupně snižuje a její tepelná stabilita je dobrá mezi 100 a 360 hodinami při 1600 stupňů, jak je znázorněno na obrázku 3. Kromě toho dopingovým prvkem vzácných zemin YB, y atd., Složený perovskite povlak Se sloupcovou a porézní strukturou lze získat, které vydrží vysoké tepelné napětí a napětí způsobené tvorbou sekundární fáze, což významně zlepšuje životnost tepelného cyklu povlaku. Ma et al. Doped YB2O3 a Y2O3 do SRZRO3 za účelem získání SR (ZR0.9Y0.05YB0.05) O2.95, který vykazoval dobrou fázovou stabilitu od teploty místnosti na 1400 stupňů a více než 1450 stupňů a tepelná vodivost se snížila o 30% ve srovnání s Srzro3 nad celý rozsah teploty. Celkově je tepelná vodivost ABO3 relativně nízká a strukturální změny způsobené dopingem mohou také snížit tepelnou vodivost.
Obr.3 Tepelná vodivost a křivky koeficientu koeficientů tepelného difúze po povlaku SRZRO3 po různých dobách tepelného zpracování při 1600 stupňů
4) Keramické materiály s vysokou entropií
Keramické materiály s vysokou entropií jsou jednofázové keramické systémy navržené pomocí multi hlavního prvku s vysokou entropií. Pět nebo více kovových iontů je obvykle syntetizováno do vícesložkových pevných roztoků se stejnou hmotou. Díky svým kompozičním charakteristikám má tento materiál čtyři základní účinky: termodynamická vysoká entropie, zkreslení mřížky, zpožděná difúze a výkon „koktejlu“, díky čemuž je vysoce rigidní, tvrdý a nízký tepelnou vodivost se širokou škálou aplikačních vyhlídek. Systém keramického materiálu s vysokou entropií je složen hlavně z prvků vzácných zemin, které jsou díky jejich podobným vlastnostem snadno vytvořeny stabilní jednofázové pevné roztoky a usnadňují optimalizaci výkonu. Výzkum keramických materiálů s vysokou entropií se zaměřuje hlavně na následujících šest kategorií: tantaláty vzácných zemin, křemičitany, hlininát, oxidy zirkonia/hafnia, fosfáty a oxidy. Porovnání jejich parametrů výkonu je znázorněno na obrázku 4. Srovnání ukazuje, že zirkonate má nejlepší tepelnou vodivost, zatímco aluminát má nejhorší; Pokud jde o houževnatost zlomenin, mají oxidy vzácných zemin s vysokou entropií významné výhody. Většina keramických materiálů s vysokou entropií má nízkou tepelnou vodivost, dobrou vysokoteplotní fázovou stabilitu a silnou odolnost proti slinování, ale k řešení jejich příslušných nevýhod je stále nutná zlepšení.
Obr.4 Porovnání vlastností několika keramických materiálů s vysokou entropií
4.1 Tantalát s vysokou entropií vzácné zeminy
Tantalum/niobát má výhody vysokého tání, ferroelastickému ztužení atd. Proto je vysoká entropie vzácné zeminy Tantalum/niobát považován za vysoce slibný materiál pro povlak tepelné bariéry a od vědců získal rozsáhlou pozornost. Wang et al. Připravena vysoce entropie vzácná Země tantalate (y {{0}}. 2CE 0. 2SM 0. 2GD 0. 2dy 0. 2) TAO4 ( (5re 0. 2) TAO4) a studoval její fázovou strukturu, termofyzikální a mechanické vlastnosti. Tepelná vodivost (5re 0. 2) TAO4 je 1,2 W · M -1 · K -1, která je nižší než YSZ v průběhu teplotního rozsahu a její křeh 8ysz (3. 0 5 MPa · M1/2). Při 12 0 0 stupeň je jeho koeficient tepelné rozšíření 1 0. 3 × {31}} · k {{{{{{{{{{{{{{{{{{{{-1 a povlak má dobrou napěťovou kapacitu. Zhao et al. Připravena vysoce entropie vzácná Země Tantalátem metodou syntézy pevného stavu, s koeficientem tepelné roztažnosti 1 0. 8}} · K -1 (12 {{67} {{69 }} stupeň) a vickersova tvrdost až 1 0. {{4 0}}. 0 GPA, vykazující dobrou fázovou stabilitu při 12 {{82} {{9 {9 0}} stupeň. Zhu et al. Syntetizoval pět prvků s vysokou entropií vzácné zeminy niobate (DY0.2Y0.2HO0.2ER0.2YB0.2) 3NBO7 prostřednictvím reakce na pevný stav. Výsledky SEM ukázaly, že 5re3NBO7 byl jednofázový fluoritovou strukturu pevného roztoku a pět prvků bylo rovnoměrně distribuováno v pevném roztoku; Při 1200 stupňů se koeficient tepelné roztažnosti a tepelná vodivost materiálu pokojové teploty výrazně zlepšily ve srovnání s běžně používanými povlaky YSZ, se zlomeninovou houževnatostí 2,13MPa · M1/2 a tvrdostí 9,51GPA. Wang Jun et al. Syntetizované (Y0.2Dy0.2SM0.2YB0.2er0.2) TAO4 pomocí metody reakční reagování s vysokou teplotou. Výsledky jsou uvedeny na obrázku 5. (5re0.2) TAO4 má nízkou tepelnou vodivost (1,68 W · m {{87} · K -1900 stupeň) a koeficient s vysokou tepelnou rozšíření (10,0 × {10-6 · K -1, 1200 stupňů). Díky svému jedinečnému efektu ferroelastického zpevňování má (5re0.2) TAO4 vysokou lomovou houževnatost (2,6 MPa · M1/2), nízko elastický modul (80GPA) a index Brittleness (2,1 um -1/2), které lze výrazně snižte výskyt neshody tepelného šoku a tepelné roztažnosti. Tyto studie ukazují, že vysoce entropická vzácná zemina tantalát/niobát je vysoce slibný materiál tepelné bariéry.
Obr.5 Tepelná vodivost a koeficient tepelné rozšíření (5re 0. 2) TAO4
4.2 Aluminát s vysokou entropií vzácné zeminy
Konstrukce aluminátu s vysokou entropií vzácné zeminy může zlepšit nevýhody nízké CTE a vysoké tepelné vodivosti materiálu. Zhao et al. připraven (y {{{0}}. , s koeficientem tepelné roztažnosti 9. 0 2 × 10-6 · K -1 a tepelné vodivosti teploty místnosti 4,1w · m {{17} · k {{18} } při rt až 12 0 0 stupeň. Chen et al. Připraveno (y 0. 2yb 0. 2LU 0. 2eu 0. 2er {{5 0}}. 2) 3AL5O12, který má termal Koeficient rozšíření (8,54 ± 0,29) × 10-6 · k -1 (673-1273 k), tepelná vodivost pokojové teploty 3,81W · m {{42} · k {{43 }} a dobrá fázová stabilita. Zhao et al. Připraveno (ND0.2SM0.2EU0.2Y0.2YB0.2) 4AL2O9 a byly testovány tepelné vlastnosti materiálu. Výsledky ukázaly, že tepelná vodivost materiálu v pokojové teplotě byla 1,50 W · m -1 k -1300 ~ 1473K a koeficient tepelné roztažnosti byl 6,96 × 10-6 k {{65 }}, s dobrou fázovou stabilitou.
4.3 Salvy s vysokou entropií vzácné Země zirkonium/hafnium
Li et al. Připraveno a studováno (y {{0}}. Metoda reakce v pevném státě. Tepelná vodivost byla pod 1. 0 W · M - 1 · K - 1 při 300-1200 stupně a materiál se dobře prováděl v testech odporu a tepelné stabilitě. (Y 0. 2gd 0. 2dy 0. 2 er 0. 2yb 0. má tepelnou vodivost 0. 73-0. 93 W · M - 1 · K - 1 a koeficientu tepelné roztažnosti (1 0. 68 × 1 {{49} - 6 - 6 · K - 111 0 0 stupeň) nižší než YSZ. Vykazuje silnou fázovou stabilitu a dobrou chemickou kompatibilitu s AL2O3 při 13 0 0 stupeň. Zhao et al. připraven (y 0. 25yb 0. 25er 0. 25 LU 0. 25) 2 (Zr 0. 5HF 0. 5 ) 2o7, s tepelnou vodivostí teploty pokojové teploty 1,4 0 w · m -1 · k -1 a koeficientem tepelné roztažnosti 9. {{9 0} 2 × 10-6 · k -1 při rt do 1200 stupňů. Zhou et al. Připraven ušlechtilý zirkonatát vzácných zemin (LA0.2ND0.2SM0.2EU0.2GD0.2) 2ZR2O7 pomocí metody stříkání atmosférického plazmy. V testu tepelného cyklistického testu při 1100 stupňů ve vzduchu tento materiál vykazoval vynikající trvanlivost a zlepšený koeficient tepelné roztažnosti ve srovnání s lanthanovým zirkonatovým povlakem. Fluoritový typ vzácné Země High Entropy Zircantate Y2 (CE0.2ZR0.2HF0.2S0.2TI0.2) 2O7 Připravený tím, že vykazoval dobrý výkon při testování stability s vysokou teplotou, se zlepšeným koeficientem tepelné roztažnosti a tepelnou vodivostí a tvrdostí s nízkou frakturou a tvrdostí s nízkou frakturou a tvrdostí s nízkou frakturou a nízkou frakturou tvrdostí a nízkou frakturou tvrdostí a nízkou fraktura a nízkou frakturu a nízkou fraktura a nízkou frakturu a nízkou frakturu a nízkou frakturu a nízkou frakturu a nízkou frakturu. 1,27 MPa · M1/2. Stručně řečeno, keramika zirkonického zirkanu s vysokou entropií prokázala vynikající výsledky ve stabilitě s vysokou teplotou fází, odporu slinování a tepelné vodivosti, ale jejich lomová houževnatost je špatná a vyžaduje další zlepšení.
4.4 Fosfát s vysokou entropií vzácné zeminy
The (LA {{{0}}. 2CE 0. Dobrá chemická kompatibilita s aluminou. Koeficient tepelné roztažnosti materiálu byl měřen na 8,9 × {{12} · k -1 na 300-1000 stupně a tepelná vodivost materiálu byla také relativně nízká při 2,08 W · m { {17}} · k -1. Materiál P2O7 navržený Zhao (TizRHF) a experimenty ukázaly, že tento materiál má nízkou tepelnou vodivost (0,78 W · m - 1 · K - 1), přičemž také vykazuje dobrou tepelnou stabilitu. Po žíhání při žíhání po dobu 3 hodin se rozkládá po žíhání, což zlepšuje defekt tepelného rozkladu jediného zirkonia pyrofosfátového keramického materiálu při vysokých teplotách.
4,5 Silikát s vysokou entropií vzácné zeminy
Ren et al. Připraveno (y {{{0}}. 25ho 0. 25er 0. 25yb 0. 25) 2SIO5, a jeho koeficient tepelné rozšiřování se zvýšil z teploty místnosti na 1473k s zvyšující se teplota, postupně stabilizace nad 1 0 0 0 K, jak je znázorněno na obrázku 6. Chen et al. Připraveno (yb 0. 25y 0. 25LU 0. 25er {{3 0}}. 25) 2SIO5 keramický materiál pomocí metody solidního státu pomocí metody solidního státu a nalezení metody a zjistilo, a zjistili to a našli to a zjistili. Materiál vykazoval dobrou fázovou stabilitu a anizotropii tepelné roztažnosti. Řízením preferenční orientace materiálu na substrátu by mohl být nesoulad mezi povlakem a substrátem účinně snížen. Wang et al. připraven (y {{4 0}}. 25yb 0. 25er 0. 25SC0.25) 2SI2O7 keramický materiál. Během procesu slinování při 1600 stupních nedošlo k téměř žádné změně zrna v časovém rozsahu izolace 5-15 h, což ukazuje dobrou vysokoteplotní fázi stabilitu. V procesu roztavené koroze CMAS vykazoval materiál dobrou odolnost vůči korozi CMAS. Dong et al. Připraveno (YB0.2Y0.2LU0.2SC0.2 GD0.2) 2SI2O7 keramický materiál, který má dobrou fázovou stabilitu pod 1300 stupňů, podobné CTE jako kompozitní materiály založené na SIC a vynikající odolnost proti korozi.
Obr.
4.6 Oxidy vzácných zemin s vysokou entropií
Yao et al. navrhl vícesložkový oxid Zr 1-4 xyxybxtaxnbxo2 keramický materiál pomocí konceptu vysoké entropie. Vzhledem ke své ferroelasticitě a mechanismu zpevňování transformace fázové transformace byla vylepšena lomová houževnatost nového materiálu (4,59 MPa · M1/2) a jeho tepelná vodivost byla také nízká (1,37 W · m -1 k {{1 {1 {{2 0}}}} (9 0 0 stupeň)). Koeficient tepelné roztažnosti byl zvýšen na 11,3 × 10-6 · k -1 (1 0 0 0 stupňů) a vykazoval vynikající vysokou teplotní tepelnou stabilitu a odpor vůči Koroze CMAS při 1600 stupňů. Sun et al. Připraveno (5re0.2) 2o3 (re=sm, eu, er, lu, y, yb) a studoval jeho související vlastnosti. CTE materiálu je blízká materiálu Y2O3 a AL2O3 a jeho tepelná vodivost (5,1 W · m {{31} · K -1) je mnohem nižší než materiál Y2O3 a AL2O3, a má dobré, a má dobré Odolnost vůči CMAS. Chen et al. Připraveno (CE0.2ZR0.2HF0.2SN0.2TI0.2) O2 prostřednictvím reakce na pevné vůli, která vykazuje reverzibilní přechod z nízkoteplotní vícefázy na vysokoteplotní jednofázovou strukturu. Tepelná vodivost teploty pokojové teploty je 1,28 W · m -1 · k -1, která je o 50% nižší než u 7ysz. Dudnik et al. zkoumali účinek dopingu více oxidů vzácných zemin na keramiku na bázi Zro2 na jejich vlastnostech. Modifikovaná vysoce entropická keramika se dobře prováděla v tepelných cyklistických testech, což vykazovalo významné zlepšení ve srovnání s povlaky YSZ (138 cyklů).
Obrázek 7 uvádí parametry výkonu 8ysz povlaku a několik vysokých entropických keramických povlakových materiálů. Z obrázku 7 je vidět, že ve srovnání s 8ysz má velká většina vysoko entropických keramických materiálů nižší tepelnou vodivost, přičemž vysoce entropická vzácná zemina ukazují nejlepší výkon, zatímco vysoká entropie vzácných evropských hlinitů má v tomto ohledu nedostatky; Ve srovnání s 8ysz vykazují CTE oxidů vzácných zemin s vysokou entropií, vysoce entropickými vzácnými zirkonitami a niobates malý rozdíl, zatímco vysoce entropické fosfáty a hliníty fungují špatně; Z pohledu lomové houževnatosti je vysoká entropie tantalát blízko 8ysz, zatímco vysoká entropie oxidu vzácné země Zr 1-4 xyxybxtaxnbxo2 je výrazně lepší než 8ysz.
Obr.7 Porovnání vlastností několika keramických materiálů s vysokou entropií
Komplexní porovnáním výhod a nevýhod několika keramických materiálů s vysokou entropií je vidět, že ve srovnání s 8ysz, vysoce entropické keramické materiály vykazují významné výhody ve vysokoteplotní fázové stabilitě, odolnost proti slinování a některé tepelné vlastnosti, které mohou splnit aplikaci Požadavky na tepelné bariérové povlaky pro motory letadel. Existují však také některé nedostatky, jako je například vysoce entropická vzácná zemina, která má vysokou hustotu materiálu a vysoké náklady, a nelze jej použít jako první volbu pro materiály tepelné bariéry; CTE vysoce entropických aluminátů vzácných zemin je relativně vysoká a při vysokých teplotách se může objevit malé množství nečistot; Mechanické vlastnosti zirkánů s vysokou entropií vzácných zemin jsou stále nedostatečné a jejich houževnatost zlomenin je špatná; CTE silikátů s vysokou entropií vzácných zemin je relativně malý; Bod tání fosfátu s vysokou entropií vzácné zeminy je velmi ovlivněn jeho posunem chemického složení a jeho vazebná afinita s AL2O3 je špatná. Touhavost zlomenin je špatná, což lze zlepšit navrhováním struktury s fází elastického zpevňování železa. Stručně řečeno, vysoce entropické zirkonity vzácných zemin a oxidy vysokých entropie vzácných zemin budou v budoucnu výzkumným hotspoty nových materiálů TBC.