열차폐 코팅은 금속 부품에 '단열{0}}아머'를 입힙니다.
항공 엔진과 가스 터빈 분야에서는 더 높은 터빈 입구 온도라는 끊임없는 추구가 있습니다. 이러한 이유로 재료 과학자들은 터빈의 고온 저항을 개선하는 방법을 끊임없이 모색하고 있으며, 가장 효과적인 방법 중 하나는 다양한 기능을 가진 코팅으로 터빈 부품을 코팅하는 '보호복'-을 입는 것입니다. 이를 통해 향상된 서비스 성능, 더 큰 신뢰성 및 더 긴 서비스 수명을 달성할 수 있습니다.
항공기 엔진(GP7200)의 열차폐 코팅과 일반적인 열차폐 코팅 시스템의 -단면 형태
현재 열차단 코팅은 금속 재료의 서비스 한계를 극복하기 위한 핵심 지원 기술이 되었습니다.
열차폐 코팅(TBC)은 구조적 성능과 기능적 특성을 결합한 일종의 절연 코팅입니다. 이 제품은 세라믹 단열층, 금속 본드 코팅 및 초합금 기판으로 구성된 "샌드위치"와 같은 다층 구조를 가지고 있습니다. 이 중 세라믹 상층은 차열코팅의 핵심 기능층으로 고온가스의 열충격, 침식, 화학적 부식을 직접적으로 견디는- 역할을 한다. 이 층의 재료 선택과 구조 설계는 코팅의 단열 효과와 사용 수명을 직접적으로 결정합니다.
차열 코팅 구조
지르코늄- 기반 재료는 고온-열 차폐 코팅의 세라믹 층에 선호되는 재료입니다.
지르코늄- 기반 소재는 우수한 단열 성능, 고온{1}}산화 저항성, 고온{2}}내식성 및 상대적으로 높은 강도를 갖기 때문에 고온-차열 코팅의 세라믹 층에 선호되는 소재가 되었습니다.
지르코늄- 기반 열차폐 코팅 개발의 첫 번째 단계는 산화지르코늄(ZrO2)을 세라믹 층 재료로 직접 사용하는 것이었습니다. 가열 중 ZrO2의 급속한 상 변화는 사용 온도를 제한하여 열차폐 코팅의 사용 수명을 상대적으로 단축시킵니다. 두 번째 단계는 6wt%~8wt% Y2O3 부분 안정화 ZrO2(YSZ) 세라믹 층을 사용하는 것입니다. 희토류 산화물 Y2O3를 도핑하면 ZrO2의 상변태 온도가 증가하고, 세라믹 시스템의 고온 상 안정성이 향상되었으며, YSZ는 여전히 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 열차폐 코팅 세라믹 소재입니다.
그러나 서비스 온도가 점차 증가함에 따라 YSZ 시스템은 상 안정성, 소결 저항 및 열주기 피로 성능에 한계가 점차 노출되었습니다. 특히 1200도 이상의 고온 환경에서 YSZ는 상 변형이 일어나 구조적 취약성과 코팅 실패를 초래하기 쉽습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구자들은 새로운 세라믹 재료 시스템을 탐색하기 시작했습니다.
지르코늄- 기반 분말: 단열 코팅의 "단열{1}}아머"에 대한 첫 번째 장애물입니다.
열차폐 코팅 응용 분야에서 "나노 산화 지르코늄 분말 및 중공 구형 산화 지르코늄 분말"로 제조된 코팅은 기존의 미세 구조 코팅보다 더 우수한 성능을 나타냅니다.
"독특한 미세 구조"로 인해 나노구조 열 차단 코팅은 일반적으로 더 높은 소결 저항성과 더 나은 변형 내성을 가지며, 이를 통해 코팅의 사용 수명을 크게 향상시킵니다. 중공 구형 구조의 열차폐 코팅은 "다공성 특성"으로 인해 코팅의 열 전도성을 효과적으로 감소시키고 더 나은 단열을 제공하는 동시에 더 나은 안정성 및 기타 특성을 가질 수 있습니다. 초기 산화지르코늄 분말의 특성은 코팅 성능에 결정적인 영향을 미칩니다. 따라서 기존 분말- 제조 공정을 최적화하거나 보다 우수한 공정을 탐색하고 더 나은 성능을 갖춘 새로운 유형의 분말을 개발하는 것은 열차폐 코팅의 성능을 향상하고 첨단 및 정교한 분야의 요구 사항을 충족시키는 핵심 경로입니다.
지르코늄{0}}계 고온-차열코팅에 사용되는 분말의 제조방법에는 기상증착법, 용융염법, 졸{2}}겔법, 균질석출법, 열수법, 템플릿법 등이 있다. 그 중 특히 주목할만한 "수열법"은 개발 잠재력이 큰 화학적 제조 방법으로 순수/도핑된 나노 산화지르코늄 분말을 제조하는 데 탁월한 장점을 보여줍니다. 템플릿 방법은 다양한 크기의 템플릿 에이전트를 선택하여 속이 빈 구형의 직경과 벽 두께를 정밀하게 제어할 수 있으며 속이 빈 구형 구조의 제어 가능한 준비를 달성하는 효과적인 수단입니다. 분무 열분해는 전구체-제어 액체의 원자화, 건조 및 열분해 과정을 통해 한 단계로 속이 빈 구형 구조를 형성하는 대규모 생산에 더 적합합니다.-
지르코늄- 기반 분말 소재의 주요 제조 기술 비교
새로운 지르코늄- 기반 단열 세라믹 층을 개발하기 위해 희토류를 도입합니다.
한편, 기존 차열 코팅 재료를 개선하는 동시에 여러 희토류 산화물-산화 이테르븀, 산화 스칸듐, 산화 가돌리늄, 산화 세륨-을 동시에 도핑하면 완전히 다른 효과를 나타낼 수 있습니다.
한편, 새로운 지르코늄{0} 기반 복합 분말(예: 산화지르코늄과 희토류염의 복합 시스템)을 개발하는 것도 중요한 연구 방향이 되었습니다.
YSZ와 비교하여 희토류 지르콘산염(RE2Zr2O7) 소재는 낮은 열 전도성, 높은 상 안정성, 우수한 소결 저항성을 나타내므로 차세대 TBC 세라믹 소재의 핵심 후보가 됩니다. 연구에 따르면 희토류 지르콘산염의 탁월한 특성은 코팅의 열 충격 성능과 열 순환 수명을 크게 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, La2Zr2O7 및 8YSZ의 이중-층 코팅 구조에서 외부 La2Zr2O7 소재는 열전도율을 크게 감소시키고 열충격 횟수와 열산화 수명을 늘려 "낮은 열전도율-높은 안정성"이라는 시너지 이점을 입증합니다.
또한, 최근에는 초-열전도율과 우수한 열 안정성을 갖춘 소재로 희토류 탄탈레이트(RE2Ta2O7)와 희토류 니오브산염(RE2Nb2O7)이 새로운 연구 핫스팟으로 떠오르고 있습니다. 인성이 낮기 때문에 코팅재로서의 적용이 제한됩니다. 현재 연구는 주로 다층 복합 구조 또는 경사 구조를 통해 재료의 기능적 보완성을 달성하는 데 중점을 두고 있습니다.