Tren Pengembangan Bahan Pelapis Penghalang Termal Bumi Entropi Tinggi
Dengan meningkatnya permintaan untuk kinerja di mesin penerbangan, turbin gas, mesin roket, dan pesawat hipersonik, pengembangan pelapis resisten suhu tinggi, isolasi tinggi, dan pelapis kehidupan yang panjang telah menjadi hotspot penelitian di bidang penghalang termal suhu tinggi suhu tinggi. pelapis. Pelapis penghalang termal (TBC) adalah teknologi utama untuk bilah turbin bertekanan tinggi, komponen ujung panas inti dari mesin turbin gas canggih. Bahan lapisan isolasi keramik dari TBC, yang telah berhasil diterapkan pada mesin penerbangan dan turbin gas tanah, adalah zirkonia yang distabilkan oleh yttria (YSZ). Karena keterbatasan seperti stabilitas suhu tinggi dan kinerja isolasi termal, YSZ tidak lagi dapat memenuhi persyaratan pengembangan mesin pesawat generasi berikutnya. Oleh karena itu, dalam dekade terakhir, peneliti domestik dan asing telah melakukan penelitian yang luas dan mendalam tentang bahan keramik pelapis termal baru, proses persiapan, karakterisasi kinerja, dan prediksi kinerja.
Lapisan penghalang termal adalah teknologi perlindungan permukaan yang dikembangkan oleh pelapisan bahan keramik dengan konduktivitas termal rendah, resistansi korosi, dan stabilitas fase suhu tinggi yang baik pada permukaan bilah turbin mesin pesawat dalam bentuk pelapis, untuk meningkatkan efisiensi termal dan dorong rasio berat. Ini memiliki karakteristik titik leleh yang tinggi, konduktivitas termal rendah, stabilitas struktur fase suhu tinggi, dan stabilitas kimia yang kuat. Sistem pelapisan penghalang termal tradisional dan banyak digunakan yang ditunjukkan pada Gambar 1 terutama terdiri dari lapisan keramik pada permukaan, lapisan oksida (TGO) yang ditanam secara termal yang dihasilkan oleh reaksi oksidasi, dan lapisan ikatan.
Gbr.1 Diagram skematik dari struktur pelapis penghalang termal
Bahan keramik pelapis penghalang termal tinggi entropi didasarkan pada struktur material asli, memperkenalkan desain entropi tinggi lokal di situs atom khusus, yang meningkatkan sifat -sifat material tertentu karena desain entropi tinggi dan lebih baik memenuhi persyaratan penggunaan pelapis penghalang termal.
Saat ini, sebagian besar desain entropi tinggi dalam bahan keramik pelapis penghalang termal entropi tinggi terutama didasarkan pada elemen tanah jarang. Ini karena elemen lantanida memiliki karakteristik perbedaan ukuran atom kecil dan sifat serupa, yang lebih kondusif untuk membentuk solusi padat fase tunggal yang stabil dan mencapai tujuan mengatur kinerja bahan yang komprehensif. Penurunan konduktivitas termal bahan keramik pelapis penghalang termal tinggi adalah tren yang signifikan, dan kinerja ekspansi termal dan ketangguhan patah tulang juga dapat dikontrol sampai batas tertentu. Untuk memenuhi kebutuhan pengembangan mesin penerbangan berkinerja tinggi dengan rasio dorong tinggi terhadap berat dan rasio konsumsi bahan bakar rendah untuk generasi berikutnya, ada aliran bahan kandidat yang tak ada habisnya untuk keramik pelapis penghalang termal generasi baru. Zirkonat tanah jarang entropi tinggi, entropy rare earth tantalate, dan entropy rare earth oksida tinggi adalah beberapa bahan representatif dengan potensi besar untuk lapisan keramik pelapis penghalang termal baru di masa depan.
Penelitian tentang bahan lapisan keramik pelapis termal terutama berfokus pada empat aspek: modifikasi doping YSZ, senyawa tipe A2B2O7, struktur perovskit, dan bahan keramik entropi tinggi.
(1) Modifikasi doping YSZ
Menurut jenis elemen doping, dapat dibagi menjadi elemen tunggal dan doping multi-elemen, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Doping elemen tunggal terutama dimodifikasi oleh elemen tanah jarang R (r adalah LA → LU, SC, GD) Doping . Sebagai jari -jari ionik dari sc 3+ ke y 3+ secara bertahap meningkat, stabilitas meningkat; Karena jari -jari y 3+ ke la 3+ ion terus meningkat, stabilitas berkurang. Selain itu, unsur -unsur tanah yang tidak jarang seperti AL, HF, TA, dll juga digunakan sebagai penstabil doping untuk modifikasi.
Koperasi multi elemen dapat meningkatkan kinerja bahan keramik, seperti meningkatkan stabilitas fase dan resistensi sintering, dan mengurangi konduktivitas termal. Oleh karena itu, koperasi multi elemen adalah fokus penelitian modifikasi YSZ. Namun, ukuran jari -jari, kisaran harga, dan kandungan ion elemen yang didoping semuanya akan berdampak padanya, dan karena keterbatasan materi itu sendiri, doping mendekati batasnya dalam meningkatkan kinerja komprehensifnya.
(2) senyawa A2B2O7
A2b2o7 (a=elemen tanah jarang seperti la/nd/sm/gd/dy/er/yb, b=ce, zr, dll.) Jenis oksida memiliki ketahanan panas yang kuat, tinggi tinggi- Stabilitas fase suhu, dan berbagai jenis A, B, dan O, menyediakan beberapa opsi untuk pelapis penghalang termal. Tabel 2 menunjukkan konduktivitas termal dan koefisien ekspansi termal dari berbagai struktur A2B2O7. Dibandingkan dengan YSZ, ini telah menjadi hotspot penelitian karena penurunan yang signifikan dalam konduktivitas termal. Namun, aplikasinya dibatasi oleh perubahan kecil dalam koefisien ekspansi termal dan kinerja pencocokan yang buruk.
Gbr.2 Konduktivitas termal dan koefisien ekspansi termal zirkonat tanah jarang
(3) Struktur Perovskite
Bahan terstruktur perovskite adalah abo3 (a=la/ba/ca, b=sc, cr, dll.) Struktur jenis, yang memiliki sifat yang sangat baik seperti kinerja stabil pada suhu tinggi dan konduktivitas termal rendah, Membuat mereka calon calon untuk pelapis penghalang termal baru. Dalam senyawa ABO3, ikatan AO lebih lemah dari ikatan Bo, dan semakin dekat kemampuan atom A dan B untuk menarik elektron, semakin rendah konduktivitas termal teoretis dan semakin baik resistensi terhadap kerusakan. Ejaz et al. menunjukkan bahwa pada 1273 K, koefisien ekspansi termal CAZRO3 adalah 12,4 × {{1 0}} k -1, sedangkan koefisien ekspansi termal YSZ adalah 1 {{3 {0}} {{3 {0 {{3 {0 {0 { } .2 × 10-6 k -1. CAZRO3 memiliki koefisien ekspansi termal yang lebih tinggi, konduktivitas termal yang lebih rendah, dan stabilitas fase suhu tinggi yang lebih baik. Ma Bole et al. diukur bahwa konduktivitas termal SRZRO3 secara bertahap menurun dan stabilitas termal baik antara 100 jam dan 360 jam pada 1600 derajat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Selain itu, dengan mendoping elemen tanah jarang YB, Y, dll. Dengan struktur kolom dan berpori dapat diperoleh, yang dapat menahan tegangan termal tinggi dan tegangan yang disebabkan oleh pembentukan fase sekunder, secara signifikan meningkatkan umur siklus termal lapisan. Ma et al. Doped YB2O3 dan Y2O3 ke SRZRO3 untuk mendapatkan SR (ZR0.9Y0.05YB0.05) O2.95, yang menunjukkan stabilitas fase yang baik dari suhu kamar hingga 1400 derajat dan di atas 1450 derajat, dan konduktivitas termal menurun sebesar 30% dibandingkan dengan SRZRO3 di atas lebih seluruh kisaran suhu. Secara keseluruhan, konduktivitas termal ABO3 relatif rendah, dan perubahan struktural yang disebabkan oleh doping juga dapat mengurangi konduktivitas termal.
Gbr.3 Konduktivitas termal dan kurva koefisien difusi termal lapisan SRZRO3 setelah waktu perlakuan panas yang berbeda pada 1600 derajat
4) Bahan keramik entropi tinggi
Bahan keramik entropi tinggi adalah sistem keramik fase tunggal yang dirancang oleh elemen multi prinsip paduan entropi tinggi. Biasanya, lima atau lebih ion logam disintesis ke dalam solusi solid multi-komponen dengan massa yang sama. Karena karakteristik komposisi, bahan ini memiliki empat efek inti: entropi tinggi termodinamika, distorsi kisi, difusi tertunda, dan "koktail" kinerja, membuatnya sangat kaku, tangguh, dan rendah konduktivitas termal, dengan berbagai prospek aplikasi. Sistem material keramik entropi tinggi terutama terdiri dari unsur-unsur tanah jarang, yang, karena sifatnya yang sama, mudah untuk membentuk solusi padat fase tunggal yang stabil dan memfasilitasi optimasi kinerja. Penelitian tentang bahan keramik entropi tinggi terutama berfokus pada enam kategori berikut: tanah jarang menggebuk, silikat, aluminat, zirkonium/hafnium oksida, fosfat, dan oksida. Perbandingan parameter kinerja mereka ditunjukkan pada Gambar 4. Perbandingan menunjukkan bahwa zirkonat memiliki konduktivitas termal terbaik sementara aluminat memiliki yang terburuk; Dalam hal ketangguhan fraktur, entropy rare earth oksida memiliki keunggulan yang signifikan. Sebagian besar bahan keramik entropi tinggi memiliki konduktivitas termal yang rendah, stabilitas fase suhu tinggi yang baik, dan resistensi sintering yang kuat, tetapi perbaikan masih diperlukan untuk mengatasi kelemahan masing-masing.
Gbr.4 Perbandingan sifat beberapa bahan keramik entropi tinggi
4.1 entropi tinggi bumi jarang menggebuk
Tantalum/niobate memiliki keunggulan titik leleh yang tinggi, perkelahian ferroelastik, dll. Oleh karena itu, entropi tinggi tanah jarang tantalum/niobate dianggap sebagai bahan pelapis penghalang termal yang sangat menjanjikan dan telah mendapat perhatian luas dari para peneliti. Wang et al. disiapkan entropy high rare earth tantalate (y {{0}}. 2CE 0. 2sm 0. 2gd 0. 2dy {{12}. (5re 0. 2) Tao4), dan mempelajari struktur fase, sifat termofisik dan mekanik. Konduktivitas termal (5re 0. 2) tao4 adalah 1.2w · m -1 · k -1, yang lebih rendah dari YSZ di seluruh kisaran suhu, dan ketangguhan frakturnya lebih tinggi dari dari dari 8ysz (3. 0 5 MPa · m1/2). Pada 12 0 0 derajat, koefisien ekspansi termal adalah 1 0. 3 × 10-6 · k -1, dan lapisan memiliki kapasitas regangan yang baik. Zhao et al. Disiapkan entropi tinggi bumi jarang tantalate dengan metode sintesis solid-state, dengan koefisien ekspansi termal 1 0. 8 × 10-6 · k -1 (12 0 {{69 }} derajat) dan kekerasan Vickers hingga 1 0. {{4 0}}. 0 GPa, menunjukkan stabilitas fase yang baik pada 12 {{82} {{{{{9 0}} derajat. Zhu et al. mensintesis entropi tinggi entropi tinggi bumi niobate (DY0.2Y0.2HO0.2ER0.2YB0.2) 3NBO7 melalui reaksi solid-state. Hasil SEM menunjukkan bahwa 5RE3NBO7 adalah larutan padat struktur fluorit fase tunggal, dan lima elemen didistribusikan secara seragam dalam larutan padat; Pada 1200 derajat, koefisien ekspansi termal dan konduktivitas termal suhu kamar telah sangat ditingkatkan dibandingkan dengan pelapis YSZ yang umum digunakan, dengan ketangguhan fraktur 2,13mpa · m1/2 dan kekerasan 9,51GPa. Wang Jun et al. Sintesis (Y0.2DY0.2SM0.2YB0.2ER0.2) TAO4 Menggunakan metode reaksi solid-state suhu tinggi. Hasilnya ditunjukkan pada Gambar 5. (5re0.2) Tao4 memiliki konduktivitas termal rendah (1.68 w · m -1 · k -1900 derajat) dan koefisien ekspansi termal tinggi (10.0 × 10-6 · K -1, 1200 derajat). Karena efek perkelahian ferroelastiknya yang unik, (5RE0.2) TAO4 memiliki ketangguhan patah tulang yang tinggi (2,6 MPa · m1/2), modulus elastis rendah (80gpa) dan indeks kerapuhan (2.1μm {{105}/2), yang dapat sangat mengurangi terjadinya kejutan termal dan ketidakcocokan ekspansi termal. Studi -studi ini menunjukkan bahwa entropy rare earth tantalate/niobate adalah bahan pelapis penghalang termal yang sangat menjanjikan.
Gbr.5 Konduktivitas Termal dan Koefisien Ekspansi Termal (5RE 0. 2) TAO4
4.2 Entropy High Entropy Earth Aluminate
Desain entropy rare earth aluminate dapat meningkatkan kelemahan CTE rendah dan konduktivitas termal yang tinggi dari material. Zhao et al. disiapkan (y {{0}}. 2nd 0. 2 sm 0. 2eu 0. 2er {{2 {0}. 2) , dengan koefisien ekspansi termal 9. 0 2 × 10-6 · k -1 dan konduktivitas termal suhu kamar 4.1W · m {17}} · k {{18} } di RT ke 12 0 0 derajat. Chen et al. disiapkan (y 0. 2yB 0. 2lu 0. 2eu 0. 2er {{5 0}. Koefisien ekspansi (8.54 ± 0.29) × 10-6 · k -1 (673-1273 k), konduktivitas termal suhu kamar 3.81W · m -1 · k {{43 }}, dan stabilitas fase yang baik. Zhao et al. disiapkan (ND0.2SM0.2EU0.2Y0.2YB0.2) 4AL2O9, dan sifat termal material diuji. Hasil penelitian menunjukkan bahwa konduktivitas termal suhu kamar dari bahan adalah 1,50W · m -1 · k -1300 ~ 1473k, dan koefisien ekspansi termal adalah 6,96 × {{64} · k {{65 }}, dengan stabilitas fase yang baik.
4.3 Garam zirkonium/hafnium bumi jarang entropi tinggi
Li et al. disiapkan dan dipelajari (y {{0}}. 2nd 0. 2 sm 0. 2eu 0. 2gd 0. Metode reaksi solid-state. Konduktivitas termal di bawah 1. 0 w · m - 1 · k - 1 di 300-1200 derajat, dan materi yang dilakukan dengan baik dalam pengujian resistansi sintering dan stabilitas termal. (Y 0. 2gd 0. 2dy 0. 2 er 0. 2yB 0. 2) 2hf2o7 disintesis oleh Cong et al. memiliki konduktivitas termal 0. 73-0. 93 w · m - 1 · k - 1 dan koefisien ekspansi termal (1 0. 68 × 1 {{49} - 6 · K - 111 0 0 derajat) lebih rendah dari ysz. Ini menunjukkan stabilitas fase yang kuat dan kompatibilitas kimia yang baik dengan AL2O3 pada 13 0 0 derajat. Zhao et al. disiapkan (y 0. 25yb 0. 25er 0. 25 lu 0. 25) 2 (zr 0. 5hf {{86}. 5 ) 2o7, dengan konduktivitas termal suhu kamar 1.4 0 w · m -1 · k -1 dan koefisien ekspansi termal 9. {{9 0}} 2 × 10-6 · k -1 pada RT hingga 1200 derajat. Zhou et al. disiapkan noble rare earth zirconate (la0.2nd0.2sm0.2eu0.2gd0.2) 2ZR2O7 Menggunakan metode penyemprotan plasma atmosfer. Dalam uji bersepeda termal pada 1100 derajat di udara, bahan ini menunjukkan daya tahan yang sangat baik dan peningkatan koefisien ekspansi termal dibandingkan dengan lapisan zirkonat lanthanum. Tipe fluorite entropy high entropy zirkonat Y2 (Ce0.2ZR0.2HF0.2SN0.2TI0.2) 2O7 Disiapkan oleh HE menunjukkan kinerja yang baik dalam pengujian stabilitas fase suhu tinggi, dengan peningkatan koefisien ekspansi termal dan konduktivitas termal, dan ketangguhan fraktur rendah rendah, dengan kerugian frakur rendah yang rendah dan termal rendah, dan kelemahan frakure rendah, dan termal, dan kerugian fruncure rendah, dan kelebihan fruncure rendah, dan kerugian fruncure rendah, dan fruncure rendah, dan kelemahan frkal frksk. dari 1,27 MPa · m1/2. Singkatnya, keramik zirkonat bumi jarang entropi tinggi telah menunjukkan hasil yang sangat baik dalam stabilitas fase suhu tinggi, resistensi sintering, dan konduktivitas termal, tetapi ketangguhan frakturnya buruk dan membutuhkan peningkatan lebih lanjut.
4.4 Entropy High Rare Earth Fosfat
(La {{0}}. 2ce 0. 2nd 0. 2sm 0. 2eu 0. Kompatibilitas kimia yang baik dengan alumina. Koefisien ekspansi termal dari bahan diukur menjadi 8.9 × 10-6 · k -1 pada {300-1000 derajat, dan konduktivitas termal material juga relatif rendah pada 2.08 w · m { {17}} · k -1. Bahan P2O7 yang dirancang Zhao (TizRHF), dan percobaan menunjukkan bahwa bahan ini memiliki konduktivitas termal yang rendah (0,78 W · m - 1 · K - 1), sementara juga menunjukkan stabilitas termal yang baik. Itu tidak terurai setelah anil pada 1550 derajat selama 3 jam, meningkatkan cacat dekomposisi termal bahan keramik zirkonium pirofosfat tunggal pada suhu tinggi.
4.5 Entropi High Earth Silikat Bumi
Ren et al. disiapkan (y {{0}}. 25ho 0. 25er 0. 25yb 0. 25) 2sio5, dan koefisien ekspansi termal meningkat dari suhu kamar menjadi 1473k dengan dengan 1473K dengan 1473K dengan Suhu yang meningkatkan, secara bertahap menstabilkan di atas 1 0 0 0 k, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Chen et al. disiapkan (yb 0. 25y 0. 25lu 0. 25er {{3 0}}. 25) 2sio5 bahan keramik menggunakan metode reaksi solid-state, dan menemukan itu Bahan ini menunjukkan stabilitas fase yang baik dan anisotropi ekspansi termal. Dengan mengendalikan orientasi preferensial material pada substrat, ketidakcocokan antara lapisan dan substrat dapat dikurangi secara efektif. Wang et al. disiapkan (y {{4 0}}. 25yb 0. 25er 0. 25sc0.25) 2si2o7 bahan keramik. Selama proses sintering pada 1600 derajat, hampir tidak ada perubahan biji-bijian dalam kisaran waktu isolasi 5-15 h, menunjukkan stabilitas fase suhu tinggi yang baik. Dalam proses korosi CMA yang cair, bahan menunjukkan resistensi yang baik terhadap korosi CMA. Dong et al. disiapkan (YB0.2Y0.2LU0.2SC0.2 GD0.2) 2SI2O7 Bahan keramik, yang memiliki stabilitas fase yang baik di bawah 1300 derajat, CTE yang serupa dengan bahan komposit berbasis SIC, dan resistensi korosi yang luar biasa.
Gbr.6 CTE yhoeryb diukur dari suhu kamar hingga 1473k
4.6 Entropi High Rare Earth Oxides
Yao et al. Dirancang multi-komponen oksida zr 1-4 xyxybxtaxnbxo2 bahan keramik menggunakan konsep entropi tinggi. Karena mekanisme pengurutan ferroelastisitas dan transformasi fase, ketangguhan fraktur material baru ditingkatkan (4,59 MPa · m1/2), dan konduktivitas termal juga rendah (1,37W · m -1 · k {{{{{{{{{{{{{{{{1 {{2 0}}}} (9 0 0 derajat)). Koefisien ekspansi termal ditingkatkan menjadi 11,3 × 10-6 · k -1 (1 0 0 0 derajat), dan menunjukkan stabilitas termal temperatur tinggi yang sangat baik dan resistansi ke high-temperature stabilitas dan resistansi yang sangat baik untuk stabilitas termal high-temperature high-temperature Korosi CMAS pada 1600 derajat. Sun et al. disiapkan (5re0.2) 2o3 (re=sm, eu, er, lu, y, yb) dan mempelajari sifat -sifat terkaitnya. CTE material dekat dengan Y2O3 dan Al2O3, dan konduktivitas termal (5.1 w · m -1 · k {{32}) jauh lebih rendah daripada Y2O3 dan Al2O3, dan memiliki baik Resistensi terhadap CMA. Chen et al. disiapkan (Ce0.2ZR0.2HF0.2SN0.2TI0.2) O2 melalui reaksi solid-state, yang menunjukkan transisi reversibel dari multiphase suhu rendah ke struktur fase tunggal suhu tinggi. Konduktivitas termal suhu kamar adalah 1.28W · m -1 · k -1, yang 50% lebih rendah dari 7ysz. Dudnik et al. menyelidiki efek doping beberapa oksida tanah jarang menjadi keramik berbasis ZRO2 pada sifatnya. Keramik entropi tinggi yang dimodifikasi berkinerja baik dalam uji bersepeda termal, menunjukkan peningkatan yang signifikan dibandingkan dengan pelapis YSZ (138 siklus).
Gambar 7 mencantumkan parameter kinerja lapisan 8ysz dan beberapa bahan pelapis keramik entropi tinggi. Dari Gambar 7, dapat dilihat bahwa dibandingkan dengan 8ysz, sebagian besar bahan keramik entropi tinggi memiliki konduktivitas termal yang lebih rendah, dengan zirkonat tanah jarang entropi tinggi yang menunjukkan kinerja terbaik, sementara entropi tinggi aluminat tanah jarang memiliki kekurangan dalam hal ini; Dibandingkan dengan 8ysz, CTE entropy rare earth oksida, entropi tinggi zirkonat tanah entropi, dan niobat menunjukkan sedikit perbedaan, sementara fosfat entropi tinggi dan aluminat berkinerja buruk; Dari perspektif ketangguhan fraktur, entropi tinggi tantalate mendekati 8sz, sedangkan entropy rare earth oksida zr 1-4 {6} {6} {6} xyxybxtaxnbxo2 secara signifikan lebih baik daripada 8sz.
Gbr.7 Perbandingan sifat beberapa bahan keramik entropi tinggi
Dengan secara komprehensif membandingkan keunggulan dan kerugian dari beberapa bahan keramik entropi tinggi, dapat dilihat bahwa dibandingkan dengan 8sz, bahan keramik entropi tinggi menunjukkan keunggulan yang signifikan dalam stabilitas fase suhu tinggi, resistensi sintering, dan beberapa sifat termal, yang dapat memenuhi aplikasi tersebut Persyaratan pelapis penghalang termal untuk mesin pesawat. Tetapi ada juga beberapa kekurangan, seperti entropy rare earth tantalate yang tinggi, yang memiliki kepadatan material tinggi dan biaya tinggi, dan tidak dapat digunakan sebagai pilihan pertama untuk bahan pelapis penghalang termal; CTE dari entropi tinggi aluminat tanah jarang relatif tinggi, dan sejumlah kecil kotoran dapat muncul pada suhu tinggi; Sifat mekanik zirkonat bumi jarang entropi tinggi masih belum cukup, dan ketangguhan frakturnya buruk; CTE silikat tanah jarang entropi tinggi relatif kecil; Titik leleh entropi tinggi entropi tanah fosfat sangat dipengaruhi oleh pergeseran komposisi kimianya, dan afinitas pengikatannya dengan AL2O3 buruk. Ketangguhan frakturnya buruk, yang dapat ditingkatkan dengan merancang struktur dengan fase perkelahian elastis besi. Singkatnya, zirkonat bumi jarang entropi tinggi dan oksida tanah jarang entropi tinggi akan menjadi hotspot penelitian bahan TBC baru di masa depan.