Language
Country/Area
No result found
От авиационных двигателей до выхлопных систем автомобилей: каковы удивительные возможности применения термобарьерных покрытий?
Тепловые барьерные покрытия (TBC) — это современные системы материалов, обычно наносимые на металлические поверхности, работающие в условиях высоких температур, например камеры сгорания и турбины газотурбинных двигателей, а также системы управления температурой выхлопных газов в автомобилях. Эти покрытия из теплоизоляционного материала толщиной от 100 микрон до 2 миллиметров эффективно изолируют от тепла, позволяя компонентам сохранять работоспособность и долговечность, несмотря на серьезные термические нагрузки.
Тепловые барьерные покрытия могут продлить срок службы компонентов и уменьшить окисление и термическую усталость.
С ростом спроса на высокоэффективные двигатели, которые должны работать при более высоких рабочих температурах и иметь большую долговечность, растет импульс для разработки новых усовершенствованных термобарьерных покрытий. Требования к материалам для теплозащитных покрытий аналогичны требованиям к теплозащитным экранам, но в последнем случае скорость выделения тепла обычно имеет большее значение.
Структура и требования к термобарьерному покрытию
Эффективное термобарьерное покрытие должно отвечать определенным требованиям, чтобы хорошо работать в суровых термомеханических условиях. Чтобы справиться с напряжениями теплового расширения во время нагрева и охлаждения, необходима соответствующая пористость, а коэффициент теплового расширения должен соответствовать коэффициенту термического расширения покрываемой поверхности металла. Кроме того, необходимо поддерживать фазовую стабильность, чтобы предотвратить значительные изменения объема (например, происходящие во время фазовых изменений). Покрытия с термобарьером обычно состоят из четырех слоев: металлической подложки, металлического связующего слоя, термически выращенного оксидного слоя (TGO) и керамического верхнего слоя.
Чтобы термобарьерное покрытие прослужило долго, коэффициенты теплового расширения между всеми слоями должны быть хорошо подобраны.
Механизм сбоя
Механизмы разрушения термобарьерных покрытий сложны и могут различаться в зависимости от условий термоциклирования. Хотя существует множество механизмов разрушения, которые до конца не изучены, рост термически выращенного оксида (TGO), термический удар и спекание верхнего слоя являются тремя наиболее важными факторами, приводящими к разрушению термобарьерного покрытия.
Рост слоя TGO является одной из наиболее важных причин отторжения и разрушения TBC. Когда TGO образуется при нагревании, это вызывает сжимающее напряжение роста, связанное с объемным расширением; при охлаждении возникает деформация несоответствия решетки из-за различных коэффициентов теплового расширения. Эта серия напряжений в конечном итоге приведет к растрескиванию и отслаиванию термобарьерного покрытия. .
Термический удар является основным механизмом разрушения, поскольку напряжения, вызванные такими резкими изменениями температуры, могут вызвать трещины в термобарьерном покрытии.
Кроме того, спекание увеличивает плотность верхнего слоя, вызывая образование трещин. Сообщается, что керамические композиционные материалы на основе нитрида кремния также демонстрируют превосходные характеристики, чем традиционные материалы на основе нитрида циркония, при нанесении термобарьерных покрытий.
Типы термобарьерных покрытий
Различные материалы термобарьерных покрытий имеют разные характеристики. Включая обычно используемый диоксид циркония (YSZ), цирконат земляного металла, % оксида азота и алюминия и т. д. YSZ является наиболее известным и широко используется в топливных двигателях из-за его хорошей термической стабильности и низкой теплопроводности. Однако YSZ сталкивается с фазовыми изменениями при высоких температурах, что приводит к ухудшению характеристик.
Оксиды редкоземельных элементов (такие как CeO2) и композиты металл-стекло показали потенциал в качестве альтернативных материалов.
Поля приложения
Применение термобарьерных покрытий становится все более распространенным в современных автомобилях, особенно для уменьшения теплопотерь в компонентах выхлопной системы, таких как выпускные коллекторы и корпуса турбокомпрессоров. Кроме того, в авиационной области использование таких покрытий чрезвычайно важно, они часто используются для защиты суперсплавов на основе никеля и позволяют им работать выше температуры плавления, чтобы улучшить характеристики двигателя.
Однако, учитывая спрос на топливо и развитие экологически чистых технологий, постоянное улучшение характеристик термобарьерных покрытий и обеспечение им стабильной работы при более высоких температурах является задачей, которой отрасль будет придавать большое значение в будущем. .
Технология термобарьерных покрытий продемонстрировала широкий потенциал применения во многих отраслях. Как эта технология будет развиваться в будущем, чтобы удовлетворить меняющиеся потребности?
