Language
Country/Area
No result found
Vật liệu chịu được nhiệt độ lên tới 1500°C: Thành phần bí mật của lớp phủ chắn nhiệt là gì?
Với sự tiến bộ của công nghệ hàng không vũ trụ và năng lượng, lớp phủ rào cản nhiệt (TBC) đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong khoa học vật liệu nhiệt độ cao. Các hệ vật liệu này thường được ứng dụng lên bề mặt kim loại, đặc biệt là các bộ phận hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao như buồng đốt, tua bin của tua bin khí. Độ dày của chúng có thể dao động từ 100 micron đến 2 mm và đóng vai trò là vật liệu cách nhiệt tốt, kéo dài tuổi thọ của bộ phận và khả năng chịu nhiệt của nó một cách hiệu quả.
Chức năng chính của lớp phủ cách nhiệt là cách nhiệt nền kim loại, cho phép nó hoạt động dưới tải nhiệt cực cao, nhờ đó tối đa hóa nhiệt độ vận hành mà không làm hỏng cấu trúc bên dưới.
Lớp phủ rào cản nhiệt có thể duy trì sự chênh lệch nhiệt độ đáng kể giữa thành phần và bề mặt được phủ, cho phép chúng hoạt động ở nhiệt độ vận hành ngày càng tăng mà không tiếp xúc nhiệt quá mức với các thành phần kết cấu. Điều này làm giảm tác động của quá trình oxy hóa và mỏi nhiệt, từ đó kéo dài tuổi thọ linh kiện. Khi nhu cầu về động cơ hiệu quả hơn có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn tăng lên, yêu cầu vật liệu cho TBC cũng hướng tới điểm nóng chảy cao, độ dẫn nhiệt thấp và khả năng chống oxy hóa tốt hơn.
Cấu trúc và tính chất vật liệu của lớp phủ cách nhiệt
Lớp phủ rào cản nhiệt dựa trên vật liệu gốm thường bao gồm bốn lớp: nền kim loại, lớp phủ liên kết kim loại, lớp oxit phát triển nhiệt (TGO) và lớp bề mặt gốm. Ở giai đoạn này, zirconia ổn định (YSZ) được sử dụng rộng rãi làm lớp bề mặt gốm. Nó có độ dẫn nhiệt rất thấp, nhưng sẽ trải qua những thay đổi pha và gây ra các vết nứt ở nhiệt độ trên 1200°C. Trong các dự án phát triển dựa trên YSZ, các zirconat đất hiếm mới đã được khám phá để thay thế nó, cho thấy hiệu suất tốt ở nhiệt độ trên 1200°C nhưng khả năng chống nứt kém.
Rủi ro và cơ hội cùng tồn tại, nhiều vật liệu gốm mới có thể hoạt động ở nhiệt độ cực cao đã được phát triển trước đây, mở đường cho sự phát triển của các lớp phủ cách nhiệt hiệu quả cao hơn trong tương lai.
Cơ chế hư hỏng của lớp phủ cách nhiệt
Cơ chế hư hỏng của TBC liên quan đến nhiều yếu tố, nhưng có ba cơ chế chính: sự phát triển của oxit tăng trưởng nhiệt (TGO), sốc nhiệt và thiêu kết lớp bề mặt. Sự hình thành TGO gây ra ứng suất nén và sự không phù hợp với sự giãn nở nhiệt của chất nền có thể dẫn đến hình thành vết nứt. Khi trải qua nhiều chu kỳ gia nhiệt và làm mát, những vết nứt này có thể lan rộng khắp lớp phủ, dẫn đến hư hỏng cuối cùng. Đặc biệt trong quá trình vận hành động cơ máy bay, hiện tượng sốc nhiệt do khởi động, tắt máy thường xuyên cũng là một trong những nguyên nhân chính.
Thiết kế lớp phủ cách nhiệt cần xem xét sự phù hợp của hệ số giãn nở nhiệt giữa các lớp để kéo dài tuổi thọ sử dụng và giảm sự hình thành vết nứt.
Ứng dụng sơn cách nhiệt
Trong lĩnh vực ô tô và hàng không vũ trụ, lớp phủ rào cản nhiệt được sử dụng rộng rãi. Trong ô tô, chúng được sử dụng để giảm tổn thất nhiệt từ các bộ phận của hệ thống xả động cơ và giảm tiếng ồn và nhiệt của khoang động cơ. Trong ngành hàng không vũ trụ, TBC được sử dụng để bảo vệ các siêu hợp kim gốc niken và nâng cao hiệu suất của chúng trong môi trường nhiệt độ cao. Sự phát triển của các công nghệ mới cho phép phủ gốm lên vật liệu composite, không chỉ bảo vệ vật liệu mà còn cải thiện khả năng chống mài mòn.
Vật liệu và thiết kế của lớp phủ cách nhiệt, được nghiên cứu bởi các nhà khoa học và kỹ sư, đại diện cho bước tiến mới trong khoa học vật liệu. Khi công nghệ tiến bộ, một loạt cải tiến trong tương lai dự kiến sẽ phát huy được tiềm năng của chúng trong những môi trường khắc nghiệt hơn. Tuy nhiên, liệu chúng ta có thể tìm ra lớp phủ cách nhiệt hoàn hảo để đáp ứng những thách thức và nhu cầu kỹ thuật ngày càng tăng không?
