Termisk barrierebelegg - Thermal barrier coating

Termisk barrierebelegg (farget hvitt) på en turbinstyreskovl i en V2500 turbofanmotor

Termiske barrierebelegg (TBC) er avanserte materialesystemer som vanligvis brukes på metalloverflater som arbeider ved forhøyede temperaturer, for eksempel gassturbin eller flymotordeler, som en form for styring av eksos . Disse 100 μm til 2 mm tykke belegg av termisk isolerende materialer tjener til å isolere komponenter fra store og langvarige varmebelastninger og kan opprettholde en merkbar temperaturforskjell mellom de bærende legeringene og beleggoverflaten. Ved å gjøre dette kan disse belegg muliggjøre høyere driftstemperaturer mens de begrenser den termiske eksponeringen til strukturelle komponenter, og forlenger levetiden ved å redusere oksidasjon og termisk utmattelse . I forbindelse med aktiv filmkjøling, tillater TBC-er arbeidsfluid-temperaturer som er høyere enn smeltepunktet til metallplaten i noen turbinapplikasjoner. På grunn av økende etterspørsel etter mer effektive motorer som kjører ved høyere temperaturer med bedre holdbarhet / levetid og tynnere belegg for å redusere parasittmasse for roterende / bevegelige komponenter, er det betydelig motivasjon for å utvikle nye og avanserte TBC. De vesentlige krav til TBCs er lik de av varmeskjold , men i den sistnevnte søknaden emisjonsevne har en tendens til å være av større betydning.

Struktur

TBC og tilhørende lag. Kjøleluft strømmer ofte gjennom metallsubstratet for å forbedre kjøling.

En effektiv TBC må oppfylle visse krav for å prestere godt i aggressive termomekaniske miljøer. For å håndtere termiske ekspansjonsbelastninger under oppvarming og avkjøling er det nødvendig med tilstrekkelig porøsitet, samt passende tilpasning av termiske ekspansjonskoeffisienter med metalloverflaten som TBC belegger. Det kreves fasestabilitet for å forhindre betydelige volumendringer (som oppstår under faseendringer), som vil føre til at belegget sprekker eller spalter . I luftpustende motorer er oksidasjonsmotstand nødvendig, samt anstendige mekaniske egenskaper for roterende / bevegelige deler eller deler i kontakt. Derfor kan generelle krav til en effektiv TBC oppsummeres som behov: 1) et høyt smeltepunkt. 2) ingen fasetransformasjon mellom romtemperatur og driftstemperatur. 3) lav varmeledningsevne . 4) kjemisk inertitet. 5) lignende termisk ekspansjon samsvarer med det metalliske underlaget. 6) god overholdelse av underlaget. 7) lav sintringshastighet for en porøs mikrostruktur. Disse kravene begrenser sterkt antall materialer som kan brukes, og keramiske materialer kan vanligvis tilfredsstille de nødvendige egenskapene.

Termiske barrierebelegg består vanligvis av fire lag: metallsubstratet, metallbindingsbelegg, termisk vokst oksid (TGO) og keramisk toppstrøk. Den keramiske toppstrøk er vanligvis sammensatt av yttria-stabilisert zirkoniumdioksyd (YSZ), som har svært lav ledningsevne, mens den holder seg stabil ved de nominelle driftstemperaturene som vanligvis sees i TBC-applikasjoner. Dette keramiske laget skaper den største termiske gradienten til TBC og holder de nederste lagene ved en lavere temperatur enn overflaten. Imidlertid lider YSZ over 1200 ° C av ugunstige fasetransformasjoner, og endrer seg fra t'-tetragonal til tetragonal til kubisk til monoklinisk. Slike fasetransformasjoner fører til sprekkdannelse i toppbelegget. Nylig innsats for å utvikle et alternativ til YSZ keramisk toppstrøk har identifisert mange nye keramikker (f.eks. Sjeldne jordzirkonater) som har overlegen ytelse ved temperaturer over 1200 ° C, men med dårligere bruddseighet sammenlignet med YSZ. I tillegg kan slike zirkonater ha en høy konsentrasjon av oksygen-ion-ledige stillinger, noe som kan lette oksygentransport og forverre dannelsen av TGO. Med en tykk nok TGO, kan spalling av belegget forekomme, noe som er en katastrofal feilform for TBC. Bruken av slike belegg vil kreve ytterligere belegg som er mer oksidasjonsbestandige, slik som aluminiumoksyd eller mullitt.

Bindingsbelegget er et oksidasjonsbestandig metallag som avsettes direkte på metallsubstratet. Den er vanligvis 75-150 mikrometer tykk og laget av en NiCrAlY- eller NiCoCrAlY-legering, selv om andre bindingsstrøk laget av Ni og Pt-aluminider også eksisterer. Det primære formålet med bindingsbelegget er å beskytte metallunderlaget mot oksidasjon og korrosjon, spesielt mot oksygen og etsende elementer som passerer gjennom det porøse keramiske toppbelegget.

Ved toppdriftsforhold som finnes i gassturbinemotorer med temperaturer over 700 ° C, fører oksidasjon av bindingsbelegget til dannelsen av et termisk dyrket oksydlag (TGO). Dannelse av TGO-laget er uunngåelig for mange applikasjoner ved høy temperatur, så termiske barrierebelegg er ofte utformet slik at TGO-laget vokser sakte og jevnt. En slik TGO vil ha en struktur som har lav diffusivitet for oksygen, slik at ytterligere vekst styres av diffusjon av metall fra bindingsbelegget i stedet for diffusjon av oksygen fra toppbelegget.

TBC kan også modifiseres lokalt ved grensesnittet mellom bindingsbelegget og det termisk dyrkede oksidet, slik at det fungerer som en termografisk fosfor , som muliggjør fjernmåling av temperatur

Feilmekanismer

Generelt er sviktmekanismer for TBC veldig komplekse og kan variere betydelig fra TBC til TBC og avhengig av miljøet der termisk sykling foregår. Av denne grunn er feilmekanismene fortsatt ikke fullstendig forstått. Til tross for dette mangfoldet av sviktmekanismer og deres kompleksitet, har tre av de viktigste sviktmekanismene imidlertid å gjøre med veksten av det termisk dyrkede oksydlaget (TGO), termisk sjokk og sintring av toppstrøk (TC), diskutert under. Ytterligere faktorer som bidrar til svikt i TBC inkluderer mekanisk rumbling av bindingsbelegget under termisk syklisk eksponering (spesielt belegg i flymotorer), akselerert oksidasjon ved høye temperaturer, varm korrosjon og nedbrytning av smeltet avleiring.

TGO lagvekst

Veksten av det termisk dyrkede oksydlaget (TGO) er den viktigste årsaken til TBC- spallasjonsfeil . Når TGO former som TBC oppvarmes, forårsaker det en trykk vekst spenning forbundet med volumekspansjon. Når det avkjøles, et gitter mistilpasning belastning oppstår mellom TGO og toppbelegget (TC) på grunn av forskjellige varmeutvidelseskoeffisienter . Gitter mismatch-stamme refererer til stammen som oppstår når to krystallinske gitter ved et grensesnitt har forskjellige gitterkonstanter og må likevel matche hverandre der de møtes ved grensesnittet. Disse vekstspenningene og gitterforskjellspenningene, som øker med økende sykkeltall, fører til plastisk deformasjon , sprekkornomdannelse og sprekkutbredelse, og til slutt bidrar til TBC-svikt etter mange sykluser med oppvarming og kjøling. Av denne grunn, for å lage en TBC som varer lenge før svikt, bør de termiske ekspansjonskoeffisientene mellom alle lagene matche godt. Mens en høy BC- krypningshastighet øker strekkbelastningene som er tilstede i TC på grunn av TGO-vekst, reduserer faktisk en høy TGO-krypningshastighet disse strekkbelastningene.

Fordi TGO er laget av Al 2 O 3 , og den metalliske bindingsbelegget (BC) er normalt laget av en aluminiumholdig legering , har en tendens TGO formasjon for å utarme Al i bindingsbelegget. Hvis BC går tom for aluminium for å levere til den voksende TGO, er det mulig for andre forbindelser enn Al 2 O 3 å komme inn i TGO (for eksempel Y 2 O 3 , for eksempel), noe som svekker TGO, noe som gjør det lettere for TBC mislykkes.

Termisk sjokk

Fordi formålet med TBC er å isolere metallunderlag slik at de kan brukes i lengre tid ved høye temperaturer, gjennomgår de ofte termisk støt , noe som er en belastning som oppstår i et materiale når det gjennomgår en rask temperaturendring. Dette termiske støtet er en viktig bidragsyter til svikt i TBC, siden belastningene på termisk sjokk kan forårsake sprekker i TBC hvis de er tilstrekkelig sterke. Faktisk er de gjentatte termiske sjokkene forbundet med å slå motoren av og på mange ganger, en viktig bidragsyter til svikt i TBC-belagte turbinblader i fly.

I løpet av gjentatte sykluser med rask oppvarming og avkjøling fører termisk sjokk til betydelige strekkbelastninger vinkelrett på grensesnittet mellom BC og TC, og når en maksimal størrelse på BC / TC-grensesnittet, så vel som et periodisk belastningsfelt i retning parallelt med BC / TC-grensesnittet. Spesielt etter mange sykluser med oppvarming og avkjøling, kan disse stammene føre til kimdannelse og forplantning av sprekker både parallelle og vinkelrett på BC / TC-grensesnittet. Disse sammenhengende horisontale og vertikale sprekkene på grunn av termisk støt bidrar til slutt til svikt i TBC via delaminering av TC.

Sintring

En tredje stor bidragsyter til TBC-svikt er sintring av TC. I TBC-applikasjoner har YSZ en søylestruktur. Disse kolonnene starter med en fjæraktig struktur, men blir jevnere med oppvarming på grunn av atomdiffusjon ved høy temperatur for å minimere overflatenergi. Bølgene på tilstøtende jevnere kolonner berører til slutt hverandre og begynner å smelte sammen. Etter hvert som YSZ synter og blir tettere på denne måten, krymper den i størrelse, noe som fører til dannelse av sprekker via en mekanisme som er analog med dannelsen av gjørme , der topplaget krymper, men det nederste laget (BC i tilfelle TBC , eller jorden når det gjelder gjørme) forblir av samme størrelse.

Vær oppmerksom på at hvis kolonner er plassert på en buet overflate, normal til den overflaten, vil kolonnetettheten nødvendigvis være høyt over daler i overflaten og lavt over toppene i overflaten på grunn av vippingen av de rette stengene.

Denne gjørmesprengende effekten kan forverres hvis det underliggende underlaget er grovt, eller hvis det grovhet ved oppvarming, av følgende grunn. Hvis overflaten under kolonnene er svingete, og hvis kolonnene kan modelleres som rette stenger som er normale mot overflaten under dem, vil kolonnetettheten nødvendigvis være høyt over daler i overflaten og lavt over toppene i overflaten på grunn av hellingen av rette stenger. Dette fører til en ikke-ensartet søyle tetthet gjennom TBC og fremmer sprekkutvikling i områder med lav tetthet.

I tillegg til denne gjørmesprengende effekten øker sintring Youngs modul for TC når kolonnene festes til hverandre. Dette øker igjen gitterfeilforholdsstammen ved grensesnittet mellom TC og BC eller TGO. TC's økte Youngs modul gjør det vanskeligere for gitteret å bøye seg for å møte det til underlaget under det; dette er opprinnelsen til den økte gitterfeil samsvarstammen. I sin tur tilfører denne økte mismatch-stammen med de andre tidligere nevnte stamme felt i TC for å fremme sprekkdannelse og forplantning, noe som fører til svikt i TBC.

Typer

YSZ

YSZ er den mest studerte og brukte TBC fordi den gir utmerket ytelse i applikasjoner som dieselmotorer og gassturbiner. I tillegg var det et av de få ildfaste oksyder som kunne avsettes som tykke filmer ved hjelp av den så kjente plasmasprayteknologien. Når det gjelder egenskaper, har den lav varmeledningsevne, høy termisk ekspansjonskoeffisient og lav motstand mot termisk sjokk. Imidlertid har den en ganske lav driftsgrense på 1200 ° C på grunn av faseinstabilitet, og kan korrodere på grunn av oksygentransparens.

Mullite

Mullite er en forbindelse av aluminiumoksyd og silisiumdioksyd, med formelen 3Al2O3-2SiO2. Den har lav tetthet, sammen med gode mekaniske egenskaper, høy termisk stabilitet, lav varmeledningsevne, og er korrosjons- og oksidasjonsbestandig. Imidlertid lider den av krystallisering og volumkontraksjon over 800 ° C, noe som fører til sprekker og delaminering . Derfor er dette materialet egnet som et zirkoniumdioksydalternativ for applikasjoner som dieselmotorer , der overflatetemperaturer er relativt lave og temperaturvariasjoner over belegget kan være store.

Alumina

Bare α-fase Al2O3 er stabil blant aluminiumoksider. Med høy hardhet og kjemisk inertitet, men høy varmeledningsevne og lav termisk ekspansjonskoeffisient, blir aluminiumoksyd ofte brukt som et tillegg til et eksisterende TBC-belegg. Ved å inkorporere aluminiumoksyd i YSZ TBC kan oksidasjons- og korrosjonsbestandighet forbedres, så vel som hardhet og bindingsstyrke uten signifikant endring i elastisk modul eller seighet. En utfordring med aluminiumoksyd er å påføre belegget gjennom plasmasprøyting, som har en tendens til å skape en rekke ustabile faser, slik som γ-aluminiumoksyd. Når disse fasene til slutt transformeres til den stabile α-fasen gjennom termisk sykling, følger en betydelig volumendring på ~ 15% (γ til α), noe som kan føre til dannelse av mikrosprekk i belegget.

CeO2 + YSZ

CeO2 (Ceria) har en høyere termisk ekspansjonskoeffisient og lavere varmeledningsevne enn YSZ. Tilsetning av ceria i et YSZ-belegg kan forbedre TBC-ytelsen betydelig, spesielt når det gjelder motstand mot termisk støt . Dette er mest sannsynlig på grunn av mindre belastningsbelegg på grunn av bedre isolasjon og en bedre netto termisk ekspansjonskoeffisient. Noen negative effekter av tilsetning av ceria inkluderer reduksjon av hardhet og akselerert sintringshastighet av belegget (mindre porøst).

Sjeldne jordzirkonater

La 2 Zr 2 O 7 , også referert til som LZ, er et eksempel på et sjeldent jordzirkonat som viser potensial for bruk som TBC. Dette materialet er fasestabilt opp til smeltepunktet og tåler i stor grad ledige stillinger på noen av dets undergitter. Sammen med muligheten for stedssubstitusjon med andre elementer, betyr dette at termiske egenskaper potensielt kan skreddersys. Selv om den har en veldig lav varmeledningsevne sammenlignet med YSZ, har den også en lav termisk ekspansjonskoeffisient og lav seighet.

Sjeldne jordoksider

Enkelt- og blandefasematerialer bestående av sjeldne jordoksider representerer en lovende billig tilnærming til TBC. Belegg av sjeldne jordoksider (f.eks: La2O3, Nb2O5, Pr2O3, CeO2 som hovedfaser) har lavere varmeledningsevne og høyere termisk ekspansjonskoeffisienter sammenlignet med YSZ. Den viktigste utfordringen å overvinne er den polymorfe naturen til de fleste sjeldne jordoksider ved forhøyede temperaturer, da faseinstabilitet har en tendens til å påvirke motstanden mot termisk sjokk negativt. En annen fordel med oksyder av sjeldne jordarter som TBC er deres tendens til å utvise egen hydrofobisitet , noe som gir forskjellige fordeler for systemer som gjennomgår intermitterende bruk og ellers kan lide av fuktadsorpsjon eller overflateisdannelse.

Kompositter av metall-glass

En pulverblanding av metall og normalt glass kan plasmasprøytes i vakuum, med en passende sammensetning som resulterer i en TBC sammenlignbar med YSZ. I tillegg har metallglasskompositter overlegen vedheft ved belegg, høyere varmeekspansjonskoeffisienter og ingen åpen porøsitet, noe som forhindrer oksidasjon av bindingslaget.

Bruker

Termisk barrierebelegg på en komponent for eksosanlegg til biler
Termisk barrierebelegg på et karbonkomposittmateriale

Automotive

Termisk barriere keramiske belegg er blitt mer vanlig i bilindustrien. De er spesielt designet for å redusere varmetapet fra motorens eksosanlegg, inkludert eksosmanifold , turbolader , eksosrør, nedløpsrør og avgangsrør. Denne prosessen er også kjent som " styring av eksosvarme ". Når de brukes under panseret, har disse den positive effekten av å redusere temperaturen i motorrommet, og reduserer derfor inntakslufttemperaturen.

Selv om de fleste keramiske belegg påføres metalldeler direkte knyttet til motorens eksosanlegg, tillater teknologiske fremskritt nå termiske barrierebelegg påført plasmaspray på komposittmaterialer. Det er nå vanlig å finne keramiske belegg i moderne motorer og på høytytende komponenter i motorserier som Formel 1 . I tillegg til å gi termisk beskyttelse, brukes disse beleggene også for å forhindre fysisk nedbrytning av komposittmaterialet på grunn av friksjon. Dette er mulig fordi det keramiske materialet binder seg til kompositten (i stedet for bare å feste seg på overflaten med maling), og derved danne et tøft belegg som ikke fliser eller flasser lett.

Selv om termiske barrierebelegg er blitt påført på innsiden av eksosanleggets komponenter, har det blitt oppstått problemer på grunn av vanskeligheten med å klargjøre den indre overflaten før belegg.

Luftfart

Interessen for å øke effektiviteten til gasturbinemotorer for luftfartsapplikasjoner har ført til forskning på høyere forbrenningstemperaturer. Turbineffektiviteten er sterkt korrelert med forbrenningstemperaturen. Forbrenning ved høyere temperatur forbedrer maskinens termodynamiske effektivitet, noe som gir et gunstigere forhold mellom arbeid generert i forhold til spillvarme. Termiske barrierebelegg brukes ofte for å beskytte nikkelbaserte superlegeringer fra både smelting og termisk sykling i luftfartsturbiner. Kombinert med kjølig luftstrøm, øker TBC-er den tillatte gasstemperaturen over den for superlegeringens smeltepunkt.

For å unngå vanskeligheter forbundet med smeltepunktet for superlegeringer, undersøker mange forskere keramiske matrisekompositter (CMC) som alternativer for høy temperatur. Generelt er disse laget av fiberforsterket SiC. Roterende deler er spesielt gode kandidater for materialendringene på grunn av den enorme utmattelsen de tåler. Ikke bare har CMC bedre termiske egenskaper, men de er også lettere, noe som betyr at mindre drivstoff vil være nødvendig for å produsere samme skyvekraft for lettere fly. Den materielle endringen er imidlertid ikke uten konsekvenser. Ved høye temperaturer er disse CMC reaktive med vann og danner gassformige silisiumhydroksydforbindelser som korroderer CMC.

SiOH 2 + H 2 O = SiO (OH) 2

SiOH 2 + 2 H 2 O = Si (OH) 4

2SiOH 2 + 3 H 2 O = Si 2 O (OH) 6

De termodynamiske dataene for disse reaksjonene er eksperimentelt bestemt over mange år for å bestemme at Si (OH) 4 generelt er den dominerende damparten. Det kreves enda mer avanserte miljøbelegg for å beskytte disse CMC-ene fra vanndamp så vel som andre miljønedbrytende stoffer. Når for eksempel gasstemperaturene øker mot 1400 K-1500 K, begynner sandpartikler å smelte og reagere med belegg. Den smeltede sanden er vanligvis en blanding av kalsiumoksid, magnesiumoksid, aluminiumoksid og silisiumoksid (ofte referert til som CMAS). Mange forskningsgrupper undersøker skadelige effekter av CMAS på turbinbelegg og hvordan du kan forhindre skade. CMAS er en stor barriere for å øke forbrenningstemperaturen til gassturbinemotorer og må løses før turbiner ser en stor økning i effektiviteten fra temperaturøkning.

Behandling

I industrien produseres termiske barrierebelegg på en rekke måter:

I tillegg er utviklingen av avanserte belegg og prosesseringsmetoder et felt for aktiv forskning. Et slikt eksempel er løsningsforløperen plasmasprayprosess , som har blitt brukt til å lage TBC med noen av de lavest rapporterte varmeledningsevnene uten å ofre termisk syklisk holdbarhet.

Se også

Referanser

Eksterne linker