ТЕРМОБАР’ЄРНІ ПОКРИТТЯ НА ОСНОВІ ТВЕРДИХ РОЗЧИНІВ ZrO₂

Анотація

Стандартний матеріал керамічного шару термобар’єрного покриття (ТБП) — твердий розчин на основі ZrO₂, стабілізованого (6−8% (мас.)) Y₂O₃ (YSZ), — наближається до температурної межі свого застосування (<1200 °C) через спікання та фазове перетворення t'-фаза ZrO₂ → Т-ZrO₂ + F-ZrO₂ з подальшим утворенням М-ZrO₂ при підвищених температурах. Керамічні матеріали ТБП нового покоління покликані підвищити температуру експлуатації (до 1600 °С), ефективність та продуктивність роботи газотурбінних двигунів. У запропонованому огляді проаналізовано дослідження щодо розробки керамічного шару ТБП на основі твердих розчинів ZrO₂ з оксидами рідкісноземельних елементів і титану. Показано, що при частковому заміщенні Y₂O₃ в YSZ оксидами CeO₂, TiO₂, Lа₂O₃, Sc₂O₃, Gd₂O₃, Nd₂O₃, Yb₂O₃, Er₂O₃, Ta₂O₅ отримано матеріали з високою фазовою стабільністю (збереженою в покритті t'-фази ZrO₂) до 1500 °С, більш низькою теплопровідністю, необхідною в'язкістю руйнування і стійкістю до спікання, але водночас й з більш низькою термоциклічною довговічністю, ніж стандартний YSZ. Концепції підвищення ступеня тетрагональної t'-фази ZrO₂ (матеріали системи ZrO₂–CeO₂–TiO₂) і “багатокомпонентного дефектного кластера” (матеріали системи ZrO₂–Y₂O₃–Nd₂O₃ (Gd₂O₃, Sm₂O₃)–Yb₂O₃ (Sc₂O₃)) пояснюють підвищення температури експлуатації керамічного шару ТБП до 1350 і 1600 °С відповідно. Показано, що теплопровідність матеріалів ТБП у подвійних системах ZrO₂–CeO₂, ZrO₂–Er₂O₃, ZrO₂–Sm₂O₃, ZrO₂–Nd₂O₃, ZrO₂–Gd₂O₃, ZrO₂–Dy₂O₃, ZrO₂–Yb₂O₃ нижча, ніж у YSZ. Матеріали з високою фазовою стабільністю і низькою теплопровідністю отримано в потрійних системах ZrO₂–Sc₂O₃–Gd₂O₃, ZrO₂–CeO₂–Gd₂O₃, ZrO₂–YbO_1,5–TaO_2,5, ZrO₂–Yb₂O₃–TiO₂. Наголошено, що для створення економічно ефективних ТБП зі збалансованими властивостями необхідний комплекс¬ний підхід до вибору складу керамічного шару на основі твердого розчину ZrO₂, технології його нанесення та удосконалення архітектури покриття.