Tandans devlopman nan segondè entropi ra latè tèmik baryè materyèl kouch
Avèk demann lan ogmante pou pèfòmans nan motè aviyasyon, turbin gaz, motè fize, ak avyon ipèrsonik, devlopman nan segondè-tanperati rezistan, izolasyon segondè, ak penti long lavi te vin yon otspo rechèch nan jaden an nan gwo tanperati baryè tèmik penti. Penti baryè tèmik (TBCs) se yon teknoloji kle pou lam turbine wo-presyon, eleman nan nwayo cho fen nan motè turbine gaz avanse. Materyèl la kouch izolasyon seramik nan TBCs, ki te aplike avèk siksè nan motè aviyasyon ak turbines gaz tè, se yttria estabilize zirkonya (YSZ). Akòz limit tankou estabilite tanperati ki wo ak pèfòmans izolasyon tèmik, YSZ pa kapab satisfè kondisyon yo ki devlopman nan pwochen jenerasyon an nan motè avyon. Se poutèt sa, nan deseni ki sot pase a, chèchè domestik ak etranje yo te fè rechèch vaste ak an pwofondè sou nouvo tèmik baryè kouch materyèl seramik, pwosesis preparasyon, karakterizasyon pèfòmans, ak prediksyon pèfòmans.
Kouch baryè tèmik se yon teknoloji pwoteksyon sifas devlope pa kouch materyèl seramik ak konduktiviti ki ba tèmik, rezistans korozyon, ak bon gwo-tanperati estabilite faz sou sifas la nan avyon motè avyon nan fòm lan nan penti, yo nan lòd yo amelyore efikasite tèmik ak vyolans nan rapò pwa. Li gen karakteristik sa yo nan pwen segondè k ap fonn, ki ba konduktiviti tèmik, segondè tanperati faz estabilite estrikti, ak fò estabilite chimik. Tradisyonèl ak lajman itilize tèmik baryè sistèm nan kouch yo montre nan Figi 1 sitou konsiste de yon kouch seramik sou sifas la, yon tèmik grandi oksid (TGO) kouch ki te pwodwi pa reyaksyon oksidasyon, ak yon kouch lyezon.
Fig.1 Dyagram schematic de estrikti kouch tèmik
Segondè entropi tèmik baryè kouch materyèl seramik yo baze sou estrikti materyèl orijinal la, entwodwi lokal konsepsyon entropi segondè sou sit espesyal atomik, ki amelyore pwopriyete sèten nan materyèl la akòz konsepsyon segondè entropi ak pi bon satisfè kondisyon ki nan itilize tèmik baryè itilize.
Kounye a, majorite nan desen segondè entropi nan segondè entropi baryè tèmik kouch seramik materyèl yo se sitou ki baze sou eleman latè ki ra. Sa a se paske eleman lantanid gen karakteristik sa yo nan diferans ti gwosè atomik ak pwopriyete ki sanble, ki gen plis fezab nan fòme ki estab sèl-faz solisyon solid ak reyisi objektif la nan reglemante pèfòmans nan konplè nan materyèl yo. Diminisyon an nan konduktiviti tèmik nan segondè entropi baryè tèmik kouch seramik materyèl se yon tandans enpòtan, ak pèfòmans nan ekspansyon tèmik ak severite ka zo kase kapab tou gen pou kontwole nan yon sèten limit. Yo nan lòd yo satisfè bezwen yo devlopman nan pèfòmans-wo motè aviyasyon ak vyolans segondè nan rapò pwa ak rapò ki ba konsomasyon gaz pou jenerasyon kap vini an, gen yon kouran kontinuèl nan materyèl kandida pou nouvo jenerasyon seramik kouch tèmik. Segondè entropi ra latè zirkonat, segondè entropi tantal latè ki ra, ak segondè entropi oksid tè ki ra yo se plizyè materyèl reprezantan ak gwo potansyèl pou lavni nouvo tèmik baryè kouch kouch seramik.
Rechèch la sou tèmik baryè kouch seramik kouch materyèl sitou konsantre sou kat aspè: YSZ dopan modifikasyon, A2B2O7 kalite konpoze, estrikti perovskite, ak segondè entropi materyèl seramik.
(1) YSZ Doping Modifikasyon
Dapre ki kalite eleman dopan, li kapab divize an eleman sèl ak milti-eleman dopan, jan yo montre nan Fig. . Kòm reyon iyonik ki soti nan Sc 3+ pou y 3+ piti piti ogmante, estabilite a amelyore; Kòm reyon an nan y 3+ a 3+ iyon kontinye ap ogmante, estabilite a diminye. Anplis de sa, eleman ki pa ra sou latè tankou Al, HF, TA, elatriye yo te itilize tou kòm estabilize dopan pou modifikasyon.
Multi eleman CO dopan ka amelyore pèfòmans nan materyèl seramik, tankou amelyore estabilite faz ak rezistans sinterizasyon, ak diminye konduktiviti tèmik. Se poutèt sa, milti eleman CO dopan se konsantre nan nan rechèch modifikasyon YSZ. Sepandan, gwosè a reyon, ranje pri, ak kontni nan iyon eleman doped tout pral gen yon enpak sou li, ak akòz limit yo nan materyèl nan tèt li, dopan ap apwoche limit li yo nan amelyore pèfòmans konplè li yo.
(2) A2B2O7 konpoze
A2B2O7 (A=Eleman Latè ki ra tankou La/Nd/Sm/Gd/Dy/Er/Yb, B=Ce, Zr, elatriye) Kalite oksid gen rezistans chalè fò, bon wo- Estabilite faz tanperati a, ak yon varyete de A, B, ak O kalite, bay opsyon miltip pou penti baryè tèmik. Tablo 2 montre konduktiviti tèmik ak koyefisyan ekspansyon tèmik nan diferan estrikti A2B2O7. Konpare ak YSZ, li te vin yon otspo rechèch akòz diminisyon nan siyifikatif nan konduktiviti tèmik. Sepandan, aplikasyon li limite pa ti chanjman nan koyefisyan ekspansyon tèmik ak pèfòmans matche pòv yo.
Fig.2 Konductivite tèmik ak koyefisyan ekspansyon tèmik
(3) estrikti perovskit
Perovskite materyèl estriktire yo ABO3 (A=La/Ba/Ca, B=SC, Cr, elatriye) Kalite estrikti, ki gen pwopriyete ekselan tankou pèfòmans ki estab nan tanperati ki wo ak ba konduktiviti tèmik, fè yo kandida potansyèl pou nouvo penti baryè tèmik. Nan ABO3 konpoze, kosyon an AO se pi fèb pase kosyon an BO, ak pi pre a kapasite a nan A ak B atòm yo atire elektwon, pi ba a teyorik konduktiviti tèmik ak pi bon an rezistans a domaj. Ejaz et al. te montre ke nan 1273 K, koyefisyan ekspansyon tèmik nan Cazro3 se 12.4 × {{1 0} k -1, pandan y ap koyefisyan ekspansyon tèmik nan YSZ se 1 {{3 0} } .2 × 10-6 k -1. Cazro3 gen yon koyefisyan ekspansyon pi wo tèmik, pi ba konduktiviti tèmik, ak pi bon estabilite faz segondè-tanperati. Ma Bole et al. mezire ke konduktiviti tèmik nan SRZRO3 piti piti diminye ak estabilite tèmik li yo se bon ant 100 h ak 360 h nan 1600 degre, jan yo montre nan Figi 3. Anplis Avèk kolon ak estrikti ki mouye ka jwenn, ki ka kenbe tèt ak segondè estrès tèmik ak estrès ki te koze pa fòmasyon segondè faz, siyifikativman amelyore lavi a sik tèmik nan kouch la. Ma et al. Doped YB2O3 ak Y2O3 nan SRZRO3 pou jwenn SR (ZR0.9Y0.05YB0.05) O2.95, ki ekspoze bon estabilite faz soti nan tanperati chanm nan 1400 degre ak pi wo a 1450 degre, ak konduktiviti nan tèmik diminye pa 30% konpare ak SRZRO3 sou Ranje a tanperati tout antye. An jeneral, konduktiviti tèmik nan ABO3 se relativman ba, ak chanjman estriktirèl ki te koze pa dopan kapab tou redwi konduktiviti nan tèmik.
Fig.3 Konduktivite tèmik ak koub koyefisyan tèmik difizyon nan kouch SRZRO3 apre diferan fwa tretman chalè nan 1600 degre
4) Segondè materyèl seramik entropi
Segondè materyèl seramik entropi yo se sèl-faz sistèm seramik ki fèt nan milti eleman direktè lekòl segondè entropi alyaj. Anjeneral, senk oswa plis iyon metal yo sentetiz nan milti-eleman solisyon solid ak menm mas la. Akòz karakteristik konpozisyon li yo, materyèl sa a gen kat efè debaz: thermodynamic segondè entropi, distòsyon lasi, reta difizyon, ak pèfòmans "bwason", fè li trè rijid, difisil, ak ki ba nan konduktiviti tèmik, ak nan yon pakèt domèn kandida aplikasyon. Segondè sistèm nan materyèl seramik entropi se sitou ki konpoze de eleman latè ki ra, ki, akòz pwopriyete menm jan yo, yo fasil yo fòme ki estab sèl-faz solisyon solid ak fasilite optimize pèfòmans. Rechèch la sou materyèl seramik segondè entropi sitou konsantre sou sis kategori sa yo: tantal latè ra, silikat, aluminates, zirkonyòm/oksid hafnium, fosfat, ak oksid. Se konparezon an nan paramèt pèfòmans yo montre nan Figi 1. Konparezon montre ke zirkonate gen pi bon konduktiviti a tèmik pandan y ap aluminate gen pi move a; An tèm de severite ka zo kase, segondè entropi oksid latè ra gen avantaj enpòtan. Pifò segondè materyèl seramik entropi gen ba konduktiviti tèmik, bon gwo-tanperati estabilite faz, ak rezistans fò sinterizasyon, men amelyorasyon yo toujou bezwen adrese dezavantaj respektif yo.
Fig.4 Konparezon nan pwopriyete nan plizyè materyèl segondè entropi seramik
4.1 Segondè entropi ra tè tantalat
Tantal/niobate gen avantaj ki genyen nan pwen segondè k ap fonn, ferroelastic ranfòse, elatriye Se poutèt sa, segondè entropi ra tè tantal/niobate se konsidere kòm yon trè prometteur tèmik baryè materyèl kouch ak te resevwa anpil atansyon soti nan chèchè. Wang et al. Prepare segondè entropi ra tè tantalate (y {{0}}. 2ce 0. 2SM 0. (5re 0. 2) Tao4), epi li etidye estrikti faz li yo, pwopriyete tèmofizik ak mekanik. Konduktivite tèmik (5re 0. 8ysz (3. 0 5 MPa · M1/2). Nan 12 0 0 degre, koyefisyan ekspansyon tèmik li yo se 1 0. Zhao et al. Prepare segondè entropi ra tantalate latè pa solid-eta sentèz metòd, ak yon koyefisyan ekspansyon tèmik nan 1 0. 8 × 10-6 · K {{37} }} degre) ak yon dite Vickers ki rive jiska 1 0. {{4 0}}. 0}} degre. Zhu et al. Sentèz yon senk eleman segondè entropi ra latè Niobate (Dy0.2Y0.2Ho0.2er0.2YB0.2) 3NBO7 nan reyaksyon solid-eta. Rezilta SEM te montre ke 5RE3NBO7 te yon estrikti solid-faz solisyon solid, ak senk eleman yo te egzakteman menm jan distribye nan solisyon an solid; Nan 1200 degre, koyefisyan an ekspansyon tèmik ak tanperati chanm konduktiviti tèmik nan materyèl la yo te anpil amelyore konpare ak souvan itilize penti YSZ, ak yon severite ka zo kase nan 2.13MPA · M1/2 ak yon dite nan 9.51GPA. Wang Jun et al. Sentèz (Y0.2DY0.2SM0.2YB0.2ER0.2) TAO4 lè l sèvi avèk metòd reyaksyon segondè-tanperati solid. Rezilta yo montre nan Figi 5. (5RE0.2) TAO4 gen ba konduktiviti tèmik (1.68 W · M {{87} · K -1900 degre) ak segondè koyefisyan ekspansyon tèmik (10.0 × 10-6}} · K -1, 1200 degre). Akòz inik li yo ferroelastic efè asistan, (5RE0.2) TAO4 gen segondè severite ka zo kase (2.6 MPa · M1/2), ki ba modil elastik (80GPA) ak endèks fragilite (2.1μm -1/2), ki ka Anpil diminye ensidan an nan chòk tèmik ak tèmik ekspansyon dezekilib. Etid sa yo endike ke segondè entropi ra latè tantalat/niobate se yon trè prometteur tèmik baryè materyèl kouch.
Fig.5 konduktiviti tèmik ak koyefisyan ekspansyon tèmik nan (5re 0. 2) Tao4
4.2 segondè entropi ra latè aluminate
Konsepsyon an nan segondè entropi aluminate latè ka amelyore dezavantaj yo nan CTE ki ba ak segondè konduktiviti tèmik nan materyèl la. Zhao et al. prepare (y {{0}}. 2nd 0. 2 sm 0. , ak yon koyefisyan ekspansyon tèmik nan 9. 0 2 × 10-6 · K -1 ak yon tanperati chanm konduktivite nan 4.1W · M -1 · K {{18} } nan RT a 12 0 0 degre. Chen et al. prepare (y 0. 2yb 0. 2Lu 0. koyefisyan ekspansyon nan (8.54 ± 0.29) × 10-6 · K -1 (673-1273 K), yon tanperati chanm konduktivite nan 3.81W · M -1 · K {{43 }}, ak bon estabilite faz. Zhao et al. Prepare (ND0.2SM0.2EU0.2Y0.2YB0.2) 4AL2O9, ak pwopriyete yo tèmik nan materyèl la yo te teste. Rezilta yo te montre ke tanperati chanm konduktiviti tèmik nan materyèl la te 1.50w · m -1 · K -1300 ~ 1473K, ak koyefisyan ekspansyon tèmik te 6.96 × 10-6 · K {{65 }}, ak bon estabilite faz.
4.3 Segondè entropi ra latè zirkonyòm/sèl hafnium
Li et al. prepare ak etidye (y {{0}}. 2nd 0. 2 sm 0. Metòd reyaksyon solid-eta a. Konduktivite tèmik la te anba a 1. 0 W · M - 1 · K - nan 300-1200 degre, ak materyèl la fè byen nan tès yo nan rezistans sinterizasyon ak estabilite tèmik. A (y 0. 2gd 0. 2dy 0. 2 er 0. gen yon konduktiviti tèmik nan 0. 73-0. · K - 111 0 0 degre) pi ba pase YSZ. Li montre fò estabilite faz ak bon konpatibilite chimik ak Al2O3 nan 13 0 0 degre. Zhao et al. prepare (y 0. 25yb 0. 25er 0. 25 lu 0. 25) 2 (Zr 0. ) 2o7, ak yon tanperati chanm konduktivite tèmik nan 1.4 0 w · m -1 · K -1 ak yon koyefisyan ekspansyon tèmik nan 9. {{9 0} 2 × 10-6 · K -1 nan RT a 1200 degre. Zhou et al. Prepare nòb ki ra sou latè zirkonat (LA0.2nd0.2SM0.2EU0.2GD0.2) 2ZR2O7 lè l sèvi avèk metòd atmosferik flite plasma. Nan tès la monte bisiklèt tèmik nan 1100 degre nan lè a, materyèl sa a te montre ekselan durability ak yon amelyore koyefisyan ekspansyon tèmik konpare ak lantan kouch zirkonat. Kalite fluorit ki ra latè segondè entropi zirkonat Y2 (CE0.2zr0.2HF0.2SN0.2TI0.2) 2O7 Prepare pa li te montre bon pèfòmans nan gwo-tanperati tès estabilite faz, ak amelyore koyefisyan ekspansyon tèmik ak konduktiviti tèmik, ak enposib ki ba frakti nan 1.27 MPa · M1/2. An rezime, segondè entropi seramik ki ra sou latè zirkonate yo te montre rezilta ekselan nan gwo-tanperati estabilite faz, rezistans sinterizasyon, ak konduktiviti tèmik, men severite ka zo kase yo se pòv ak bezwen plis amelyorasyon.
4.4 Segondè entropi ra latè fosfat
A (la {{0}}. 2ce 0. 2nd 0. 2SM 0. Bon konpatibilite chimik ak alumina. Yo te mezire koyefisyan ekspansyon tèmik materyèl la pou 8.9 × 10-6 · K -1 nan 300-1000, ak konduktiviti tèmik materyèl la te tou relativman ba nan 2.08 W · M { {17}} · K -1. Zhao ki fèt (TizRHF) P2O7 materyèl, ak eksperyans te montre ke materyèl sa a gen ba konduktiviti tèmik (0.78 W · M - 1 · K - 1), pandan y ap tou montre bon estabilite tèmik. Li pa dekonpoze apre rkwir nan 1550 degre pou 3 èdtan, amelyore domaj la nan dekonpozisyon tèmik nan yon sèl zirkonyòm pirofosfat materyèl seramik nan tanperati ki wo.
4.5 segondè entropi ra latè silikate
Ren et al. prepare (y {{0}}. 25ho 0. 25er 0. Ogmante tanperati a, piti piti estabilize pi wo a 1 0 0 0 K, jan yo montre nan Figi 6. Chen et al. prepare (yb 0. 25y 0. 25lu 0. 25er {{3 0}}. Materyèl la ekspoze bon estabilite faz ak anisotropi nan ekspansyon tèmik. Pa kontwole oryantasyon an preferansyèl nan materyèl la sou substra a, dezekilib ki genyen ant kouch a ak substra a ta ka efektivman redwi. Wang et al. prepare (y {{4 0}}. 25yb 0. 25er 0. Pandan pwosesis la sinterizasyon nan 1600 degre, te gen prèske pa gen okenn chanjman grenn jaden nan seri a tan izolasyon nan 5-15 H, ki montre bon gwo-tanperati estabilite faz. Nan pwosesis la korozyon CMA fonn, materyèl la ekspoze bon rezistans nan korozyon CMAs. Dong et al. Prepare (YB0.2Y0.2LU0.2SC0.2 GD0.2) 2SI2O7 materyèl seramik, ki gen bon estabilite faz ki anba a 1300 degre, menm jan CTE ak SiC ki baze sou materyèl konpoze, ak rezistans kowozyon eksepsyonèl.
Fig.6 CTE nan YhoeryB mezire soti nan tanperati chanm nan 1473K
4.6 segondè entropi oksid latè ra
Yao et al. Ki fèt yon milti-eleman oksid Zr 1-4 xyxybxtaxNBXO2 materyèl seramik lè l sèvi avèk konsèp nan entropi segondè. Akòz ferroelasticity li yo ak transfòmasyon faz mekanis ranfòse, severite nan ka zo kase nan nouvo materyèl la te ogmante (4.59 MPa · M1/2), ak konduktiviti tèmik li yo te tou ki ba (1.37W · M -1 · K {{1 {{2 0}}}} (9 0 0 degre)). Koyefisyan ekspansyon tèmik la te ogmante a 11.3 × 10-6 · K -1 (1 0 0 0 degre), epi li ekspoze ekselan gwo tanperati tèmik ak rezistans nan CMAS korozyon nan 1600 degre. Solèy et al. Prepare (5re0.2) 2O3 (re=sm, Inyon Ewopeyen, er, lu, y, yb) ak etidye pwopriyete ki gen rapò li yo. CTE nan materyèl la se tou pre sa yo ki an Y2O3 ak Al2O3, ak konduktiviti tèmik li yo (5.1 W · M -1 · K -1) se pi ba anpil pase sa yo ki an Y2O3 ak Al2O3, epi li gen bon Rezistans nan CMAs. Chen et al. Prepare (CE0.2ZR0.2HF0.2SN0.2TI0.2) O2 nan reyaksyon solid-eta a, ki montre yon tranzisyon revèsib soti nan ba-tanperati multidaz a-wo tanperati yon sèl-faz estrikti. Tanperati chanm nan konduktivite tèmik se 1.28W · m -1 · K -1, ki se 50% pi ba pase sa yo ki an 7YSZ. Dudnik et al. envestige efè a nan dopan plizyè oksid latè ki ra nan seramik ZRO2 ki baze sou pwopriyete yo. Seramik yo modifye entropi segondè fè byen nan tès monte bisiklèt tèmik, ki montre siyifikatif amelyorasyon konpare ak YSZ penti (138 sik).
Figi 7 bay lis paramèt pèfòmans yo nan kouch 8YSZ ak plizyè segondè entropi materyèl kouch seramik. Soti nan Figi 7, li ka wè ki konpare ak 8YSZ, a vas majorite de segondè materyèl entropi seramik gen pi ba konduktiviti tèmik, ak segondè entropi zirkona latè ki montre pèfòmans ki pi bon, pandan y ap segondè entropi aluminates latè ki ra gen enpèfeksyon nan sa a konsiderasyon; Konpare ak 8YSZ, CTE a nan segondè entropi oksid latè ra, segondè entropi ki ra zirkona latè, ak niobates montre ti kras diferans, pandan y ap fosfat segondè entropi ak aluminates fè mal; Soti nan pèspektiv nan severite ka zo kase, segondè tantal entropi se tou pre 8ysz, pandan y ap segondè entropi ra latè oksid Zr 1-4 xyxybxtaxnbxo2 se siyifikativman pi bon pase 8ysz.
Fig.7 Konparezon nan pwopriyete yo nan plizyè materyèl segondè entropi seramik
Pa complète konpare avantaj yo ak dezavantaj nan plizyè materyèl segondè entropi seramik, li ka wè ki konpare ak 8YSZ, materyèl segondè entropi seramik montre avantaj enpòtan nan gwo tanperati estabilite faz, rezistans sinterizasyon, ak kèk pwopriyete tèmik, ki ka satisfè aplikasyon an Kondisyon pou penti baryè tèmik pou motè avyon. Men, gen tou kèk enpèfeksyon, tankou segondè entropi tantal la tè ki ra, ki gen yon dansite materyèl segondè ak gwo pwi, epi yo pa kapab itilize kòm premye chwa a pou materyèl tèmik baryè kouch; CTE a nan segondè entropi aluminate latè ra se relativman wo, ak yon ti kantite lajan nan enpurte ka parèt nan tanperati ki wo; Pwopriyete mekanik yo nan zirkonat segondè entropi ki ra yo toujou ensifizan, ak severite ka zo kase yo se pòv; CTE a nan silikat segondè entropi ki ra se relativman ti; Se pwen an k ap fonn nan segondè entropi ra latè fosfat anpil afekte pa chanjman konpozisyon chimik li yo, ak vokasyon obligatwa li yo ak AL2O3 se pòv yo. Rezistans nan ka zo kase se pòv, ki ka amelyore pa desine yon estrikti ak fè elastik faz ranfòse. An rezime, segondè entropi ra latè zirkonat ak segondè entropi oksid latè ki ra yo pral otspo yo rechèch nan nouvo materyèl TBC nan lavni.