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热障涂层的发展方向

发布日期:2018-07-13 作者:振中电熔 点击:

  寻找新材料来满足更高的发动机出口温度是热障涂层制备和发展的重要方向。为了得到理想的热障涂层,必须获得具备更低热导率的顶层陶瓷层,开发出新型低热导率热障涂层和陶瓷基复合材料热障涂层成为研究热点。

热障涂层粉厂家

  1、新型低热导率热障涂层


  提高热障涂层的热阻需要从降低热导率入手,热障涂层中的热量传输主要有电子传导、热辐射和晶格声子传导三种方式,因此降低声子平均自由程、声子速度或材料密度,能够有效减少晶格声子的热量传输。材料本身固有的缺陷以及掺杂都可以显著提高外在缺陷散射,从而降低材料的导热性能。


  (1)改变涂层化学成分


  利用Y2O3掺杂ZrO2、各种镧系元素(包括La,Gd,Er,Nd,Dy和Yb)单独或共掺杂ZrO2、过渡金属元素(如Ni,Nb和Ta)掺杂以及Hf掺杂ZrO2,诱导晶格应变,从而增大晶格的非简谐振动和声子散射,进而降低材料热导率。


  (2)改善涂层晶体结构


  烧绿石结构体系(A2B2X7)凭借其较低的热导率近几年来成为新型热障涂层研究热门。例如稀土锆酸盐Ln2Zr2O7(Ln为稀土元素)烧绿石结构陶瓷涂层(如Gd2Zr2O7,Sm2Zr2O7)相比于YSZ,具有更好的热物性和良好的机械性能。结构相似的镧系锆酸盐掺杂时,因其可以形成固溶体,也能够降低材料的热导率。而La2Hf2O7的热导率比La2Zr2O7更低。此外,增加涂层孔隙率也有利于降低涂层热导率。


  2、陶瓷基复合材料热障涂层


  高温金属材料(如镍、钴或铁基超合金)常被用于制作涡轮发动机的叶片等,但是它们通常在超过其熔点温度的环境下服役,所以热稳定性得到极大挑战。由于陶瓷基复合材料(CMC)能够承受1250℃以上的高温,因此能够承受更高温度的新型CMC复合材料成为下一代航空发动机高温部件的主要候选材料,从而提高发动机热端部件的服役温度,保障发动机的功率和转换效率。


  CMC材料不同于金属材料,制成的热端部件在工作时不需要进行气冷,并且还能改进零件的耐久性,从而极大地提高发动机的推力和工作率。2013年,罗罗公司采用SiC/SiC复合材料制造成发动机高压涡轮叶片进行试验,结果显示,叶片质量可减少50%左右。但是,CMC在高温下的氧化烧蚀限制了其在飞机上的应用。以SiC-纤维/SiC-基体CMC材料为例,在高压涡轮机的高温氧化条件下,会形成一层SiO2保护层来阻止CMC继续被氧化,但是SiO2层又会与水蒸气反应生成氢氧化物,从而导致CMC中SiC基体的侵蚀。在CMC基体上制备一层环境热障涂层(EBC)是解决这一问题的关键。


  EBC通常由粘接层、过渡层和顶层三部分构成(如上图所示)。粘接层一般由Si元素组成,主要作用是确保EBC和CMC基体结合良好;过渡层一般由钡锶铝硅酸盐(BSAS)和莫来石混合而成,主要起抗高温氧化和抑制与水蒸气反应的作用;顶层由BSAS构成,主要起到抗高温腐蚀和抗外来物冲击的作用。


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