Language
Country/Area
No result found
航空機エンジンから自動車の排気システムまで: 遮熱コーティングの驚くべき用途とは?
遮熱コーティング (TBC) は、ガスタービン エンジンの燃焼室やタービン、自動車の排気熱管理システムなど、高温条件下で動作する金属表面に一般的に適用される先進的な材料システムです。これらの断熱材のコーティングは、厚さが 100 ミクロンから 2 ミリメートルの範囲で、効果的に熱を遮断し、厳しい熱負荷にもかかわらずコンポーネントの動作効率と耐久性を維持できるようにします。
遮熱コーティングは、コンポーネントの耐用年数を延ばし、酸化や熱疲労を軽減します。
より高い動作温度で動作し、より優れた耐久性を備えた高効率エンジンに対する需要が高まるにつれ、新しい高度な遮熱コーティングの開発の機運が高まっています。遮熱コーティングの材料要件は遮熱材の要件と似ていますが、後者の用途では通常、熱発生率がより重要です。
遮熱コーティングの構造と要件
効果的な遮熱コーティングが過酷な熱機械環境で適切に機能するには、特定の要件を満たす必要があります。加熱および冷却中の熱膨張応力に対処するには、適切な気孔率が必要であり、熱膨張係数はコーティングされる金属表面の熱膨張係数と一致する必要があります。さらに、大幅な体積変化（相変化中に発生するなど）を防ぐために、相の安定性を維持する必要があります。遮熱コーティングは通常、金属基材、金属結合層、熱成長酸化層 (TGO)、セラミック最上層の 4 層で構成されます。
遮熱コーティングを持続させるには、すべての層間の熱膨張係数が適切に一致している必要があります。
障害のメカニズム
遮熱コーティングの破損メカニズムは複雑で、熱サイクル環境によって異なる場合があります。十分に理解されていない破損メカニズムは数多くありますが、熱成長酸化物 (TGO) の成長、熱衝撃、および最上層の焼結が、遮熱コーティングの破損につながる 3 つの最も重要な要因です。
TGO 層の成長は、TBC の脱落と失敗の最も重要な理由の 1 つです。加熱により TGO が形成されると、体積膨張に関連した圧縮成長応力が発生します。冷却すると、熱膨張係数の違いにより格子不整合歪みが発生し、最終的には遮熱コーティングの亀裂や剥離につながります。 。
熱衝撃は、このような急激な温度変化によって引き起こされる応力によって遮熱コーティングに亀裂が生じる可能性があるため、主な故障メカニズムです。
さらに、焼結により最上層の密度が増加し、亀裂が発生します。窒化ケイ素ベースのセラミック複合材料は、遮熱コーティング用途において従来の窒化ジルコニウム材料よりも優れた性能を示すことも報告されています。
遮熱コーティングの種類
遮熱コーティング材料が異なれば、特性も異なります。一般的に使用されるジルコニア (YSZ)、土類金属ジルコン酸塩、% 窒素酸化アルミニウムなどが含まれます。 YSZ が最も有名であり、熱安定性が高く、熱伝導率が低いため、燃料エンジンに広く使用されています。ただし、YSZ は高温で相変化が起こり、性能が低下します。
希土類酸化物 (CeO2 など) と金属とガラスの複合材料は、代替材料としての可能性を示しています。
アプリケーションフィールド
現代の車両では、特に排気マニホールドやターボチャージャー ハウジングなどの排気システム コンポーネントの熱損失を低減するために、遮熱コーティングの適用がますます一般的になりつつあります。さらに、航空分野では、このようなコーティングの使用は非常に重要であり、ニッケル基超合金を保護し、融点以上での動作を可能にしてエンジン性能を向上させるためによく使用されます。
しかし、燃料の需要とグリーンテクノロジーの進歩に伴い、遮熱コーティングの性能を継続的に改善し、高温でも安定して動作できるようにする方法は、業界が将来的に非常に重要視する課題です。 。
遮熱コーティング技術は、多くの業界で幅広い応用の可能性を示していますが、変化するニーズに対応するために、この技術は今後どのように開発されるのでしょうか?
