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De motores de aeronaves a sistemas de escapamento de automóveis: quais são as aplicações surpreendentes dos revestimentos de barreira térmica?
Os revestimentos de barreira térmica (TBCs) são sistemas de materiais avançados comumente aplicados a superfícies metálicas que operam sob condições de alta temperatura, como câmaras de combustão e turbinas de motores de turbina a gás e sistemas de gerenciamento térmico de escapamento em automóveis. Esses revestimentos de material termicamente isolante, com espessuras que variam de 100 mícrons a 2 milímetros, isolam efetivamente contra o calor, permitindo que os componentes mantenham a eficiência operacional e a durabilidade, apesar das severas cargas térmicas.
Os revestimentos de barreira térmica podem prolongar a vida útil dos componentes e reduzir a oxidação e a fadiga térmica.
Com a crescente demanda por motores de alta eficiência, que precisam operar em temperaturas operacionais mais altas e ter melhor durabilidade, há um impulso crescente para o desenvolvimento de novos revestimentos avançados de barreira térmica. Os requisitos de material para revestimentos de barreira térmica são semelhantes aos dos escudos térmicos, mas nesta última aplicação, a taxa de geração de calor é geralmente mais importante.
Estrutura e requisitos do revestimento de barreira térmica
Um revestimento de barreira térmica eficaz precisa atender a determinados requisitos para funcionar bem em ambientes termomecânicos agressivos. Para lidar com as tensões de expansão térmica durante o aquecimento e o resfriamento, é necessária uma porosidade adequada e o coeficiente de expansão térmica deve corresponder ao da superfície metálica a ser revestida. Além disso, a estabilidade de fase precisa ser mantida para evitar alterações significativas de volume (como as que ocorrem durante as mudanças de fase). Os revestimentos de barreira térmica geralmente consistem em quatro camadas: substrato metálico, camada de ligação metálica, camada de óxido crescido termicamente (TGO) e camada superior de cerâmica.
Para que um revestimento de barreira térmica dure, os coeficientes de expansão térmica entre todas as camadas devem ser bem combinados.
Mecanismo de falha
Os mecanismos de falha dos revestimentos de barreira térmica são complexos e podem variar dependendo do ambiente do ciclo térmico. Embora existam muitos mecanismos de falha que não são totalmente compreendidos, o crescimento do óxido crescido termicamente (TGO), o choque térmico e a sinterização da camada superior são os três fatores mais importantes que levam à falha do revestimento de barreira térmica.
O crescimento da camada TGO é uma das razões mais importantes para a eliminação e falha do TBC. Quando o TGO é formado com aquecimento, causará tensão de crescimento compressiva relacionada à expansão de volume durante o resfriamento, sendo gerada deformação de incompatibilidade de rede devido a diferentes coeficientes de expansão térmica. .
O choque térmico é o principal mecanismo de falha porque as tensões induzidas por essas mudanças drásticas de temperatura podem causar rachaduras no revestimento da barreira térmica.
Além disso, a sinterização aumenta a densidade da camada superior, causando a formação de fissuras. É relatado que os materiais compósitos cerâmicos à base de nitreto de silício também apresentam desempenho superior aos materiais tradicionais de nitreto de zircônio em aplicações de revestimento de barreira térmica.
Tipos de revestimentos de barreira térmica
Diferentes materiais de revestimento de barreira térmica têm características diferentes. Incluindo zircônia comumente usada (YSZ), zirconato de metal terroso,% de óxido de nitrogênio e alumínio, etc. YSZ é o mais famoso e amplamente utilizado em motores a combustível devido à sua boa estabilidade térmica e baixa condutividade térmica. No entanto, o YSZ encontra mudanças de fase em altas temperaturas, resultando em degradação do desempenho.
Óxidos de terras raras (como CeO2) e compósitos metal-vidro têm demonstrado potencial como materiais alternativos.
Campos de aplicação
A aplicação de revestimentos de barreira térmica está se tornando cada vez mais comum em veículos modernos, especialmente para reduzir a perda de calor em componentes do sistema de escapamento, como componentes como coletores de escapamento e carcaças de turboalimentadores. Além disso, no campo da aviação, o uso de tais revestimentos é extremamente importante, muitas vezes utilizados para proteger superligas à base de níquel e permitir que operem acima do ponto de fusão para melhorar o desempenho do motor.
No entanto, com a demanda por combustível e o avanço da tecnologia verde, como melhorar continuamente o desempenho dos revestimentos de barreira térmica e permitir que operem de forma estável em temperaturas mais altas é um desafio ao qual a indústria atribuirá grande importância no futuro. .
A tecnologia de revestimento de barreira térmica demonstrou amplo potencial de aplicação em muitas indústrias. Como essa tecnologia será desenvolvida no futuro para atender às necessidades em constante mudança?
