پوش سد حرارتی

پوشش سد حرارتی یا به اختصار TBCها مواد پیشرفته‌ای هستند که معمولاً در سطوح فلزی مورد استفاده قرار می‌گیرند. مانند توربین گاز یا موتور هواپیما که در درماهای بالا کار می‌کنند. این پوشش‌ها با ضخامت ۲میکرو متر تا ۲ میلی‌متر به منظور محافظت اجزا در برابر بارگذاری‌های حرارتی بلند مدت با به کارگیری عایق حرارتی؛ که می‌تواند اختلاف دمای قابل ملاحظه بین آلیاژ بارگذاری شده و سطح پوشش را تحمل کند، استفاده می‌شوند.
همچنین این پوشش‌ها عمرخستگی قطعات را با کاهش اکسایش افزایش می‌دهند. در مقایسه با سیستم فیلم خنک کن فعال سیاله کاریه گذرا می‌تواند به دماهایی بالاتر از نقطهٔ ذوب ایر فویل در برخی توربین‌ها برسد.
امروزه با توجه به نیاز صنعت برای افزایش عملکرد و راندمان توربین‌ها و با در نطر گرفتن مؤلفه‌های :عمرکاری/دوام –سبک بودن این پوش‌ها (کاهش لنگ زنی در تیغه توربین وکاهش جرم لنگی)، پیشرفتهای خوبی در راستای ارتقا این نوع پوش‌های سد حرارتی صورت گرفته‌است.

انواع

YSZ:
ماده‌ای است که بیشترین کاربرد را در میان TBCها دارد. مطالعات گسترده‌ای بر روی آن انجام شده و علت آن نیز عملکرد عالی در مواردی همچون موتور دیزل و توربین گازی است. از خصوصیات این ماده می‌توان به ضریب هدایت حرارتی پایین، ضریب ابساط حرارتی بالا و مقاومت پایین در برابر شوک گرمایی اشاره کرد، با این حال به دلیل ناپایداری فاز در دما ۱۲۰۰ درجه سلسیوس محدودیت عملیاتی بسیار پایینی دارد و می‌تواند توسط اکسیژن دچار خوردگی شود.

مولایت

مولایت ترکیبی از آلومینیوم و سیلیکات با فرمول 3Al2O3-2SiO2 است. چگالی کم همراه با خواص مکانیکی از قبیل پایداریه حرارتی بالا، ضریب هدایت گرمایی کم و مقاومت در برابر اکسایش و خوردگی. با این حال دچار تبلور و انقباض حجم در دمای بالای ۸۰۰ درجه سلسیوس می‌شود.. که موجب ایجاد ترک و لایه لایه شدن می‌گردد. در نتیجه این ماده جایگزین خوبی برای زیرکونیم در مصارفی چون موتور دیزل (که دمای سطحی نسبتاً پایین و تغییرات دمایی سراسری بالا دارند) می‌باشد.

اکسید آلومینیوم

تنها فاز α- Al2O3در میان تمامی اکسیدهای آلومینیوم پایدار است. با سختی و نجابت شیمیایی بالا. اما ضریب هدایت گرمایی بالا و ضریب انبساط حرارتی پایین دارد. آلومینا اغلب به عنوان یک ضمیمه برای TBC ی موجود استفاده می‌شود. با ترکیب آلومینا و YSZ اکسایش و خوردگی کاهش میابد. در حالیکه مدول الاستیک و چقرمگی تغییر چندانی نمی‌کند.
یک چالش در استفاده از آلومینااین است که در هنگام پاشش پلاسما تمایل زیادی به ایجاد تغییر فازهای ناپایداری همچون γ-alumina دارد که می‌تواند موجب ایجاد میکرو ترک‌ها شود.

CeO2 + YSZ

CeO2ها (سریا) دارای ضریب انبساط حرارتی بالا و ضریب هدایت الکتریکی پایین نسبت به YSZها هستند. ترکیب این دو می‌تواند موجب افزایش عملکرد TBCها شود. به ویژه در مقاومت نسبت به شوک حرارتی. به دلیل تنش کمتر در لایهٔ Bond-coat و متعاقباً عایق کاری بهتر و ضریب انبساط حرارتی بهتر. برخی از معایب این پوشش عبارتند از کاهش سختی و نرخ شتاب تف پخت

زیرکونات خالی کمیاب

La2Zr2O7 که با نام LZ شناخته می‌شود نمونه‌ای از زیرکونات خاکی کمیاب است که به عنوان TBC استفاده می‌شود. این ماده تا دمای ذوب خود دارای پایداری فازمی‌باشد. همچنین می‌تواند تا حد زیادی عیوب جای خالی شبکه‌ای را تحمل کند.
این قابلیت بدین معنی است که خواص حرارتی این ماده مناسب است. همچنین در مقایسه با YSZ ضریب هدایت گرمایی بسیار پایین و ضریب ابساط حرارتی و پقرمگی پایینی دارد.

اکسیدهای خاکی کمیاب

مخلوط اکسیدهای خاکی کمیاب ارزان و به راحتی در دسترس‌اند.
پوشش اکسیدهای خاکی می‌توانند موادی چون La2O3, Nb2O5, Pr2O3, CeO2 باشند؛ که در مقایسه با YSZ ضریب هدایت گرمایی و انبساط حرارتی پایین‌تری‌اند.
چالش استفاده از این اکسیدها تمایل بالقوهٔ آن‌ها به ایجاد فاز ناپایدار است که تأثیر منفی بر مقاومت در برابر شوک حرارتی دارد.

کامپوزیت فلزهای شیشه‌ای

یک مخلوط از پودر فلز و شیشهٔ عادی که رد شرایط خلأ و با اسپری پلاسما بر روی تیغه اسپری می‌شوندیک ترکیب مناسب به عنوان TBC که قابلیت رقابت با YSZ را دارد.
این کامپوزیتها دارای چسبندگی بیشتر در لایهٔ BOND-COAT و ضریب انبساط حرارتی بالاترند همچنین هیچ تخلخل بازی در آن‌ها مشاهده نمی‌شود و این امر از اکسایش BOND-COAT جلوگیری می‌کند.

کاریرد در صنعت خودر

کاربرد پوش‌های سرامیکی سد حرارتی در صنعت خودرو شایع است به‌طور خاصی طراحی شده‌اند تا دفع حرارت را سیستم تگزوز موتور کاهش دهند و بدین ترتیب با کاهش دمای موتور و کاهش دمای هوای ورودی راندمان موتور را افزایش دهند.
اگرچه از پوشش‌های سرامیکی اغلب در سیستم اگزوز موتور استفاده می‌شود. با این حال با پیشرفت تکنولوژی و از طریق پاشش پلاسما بر روی مواد کامپوزیتی و سایر اجزای موتور به منظور حفاظت حرارتی و جلوگیری از پوسته پوسته شدن استفاده می‌شود

روش تولید

در صنعت روش‌های متفاوتی برای ساخت پوش سد حرارتی وجود دارد:
رسوب فیزیکی بخار از طریق پرتو الکترونی: EBPVD
اسپری پلاسما ی هوا: APS
سرعت بالا سوخت اکسیژن: HVOF
پاشش پلاسما در محفظه فشار پایین LPPS
رسوب گذاری بخار به کمک اسپری الکترواستاتیک: ESAVD
رسوب مستقیم بخار