遮熱コーティングは、金属コンポーネントに「断熱外装」を施します。-
航空エンジンとガスタービンの分野では、タービン入口温度の向上という永遠の追求があります。このため、材料科学者はタービンの高温耐性を向上させる方法を常に模索しています。-その最も効果的な方法の 1 つは、さまざまな機能を持つコーティングでタービン部品をコーティングする「防護服」を着用することです。これにより、サービス性能の向上、信頼性の向上、耐用年数の延長が実現されます。-
航空エンジン (GP7200) の遮熱コーティングと典型的な遮熱コーティング システムの断面形態-
現在、遮熱コーティングは金属材料の使用限界を突破するための重要なサポート技術となっています。
遮熱コーティング (TBC) は、構造性能と機能特性を組み合わせた断熱コーティングの一種です。セラミック断熱層、金属ボンドコート、超合金基材からなる「サンドイッチ」のような多層構造となっています。このうち、セラミック最上層は遮熱コーティングの中核となる機能層であり、高温ガスによる熱衝撃、浸食、化学腐食に直接さらされます。この層の材料の選択と構造設計は、コーティングの断熱効果と耐用年数を直接決定します。
遮熱コーティング構造
ジルコニウム-ベースの材料は、高温遮熱コーティングのセラミック層に適した材料です。-
ジルコニウム-ベースの材料は、優れた断熱性能、高温酸化耐性、高温耐食性、比較的高い強度を備えているため、高温-コーティングのセラミック層に適した材料となっています。
ジルコニウム-ベースの遮熱コーティング開発の第 1 段階は、セラミック層材料として酸化ジルコニウム (ZrO2) を直接使用することでした。加熱中の ZrO2 の急速な相変態により、その使用温度が制限され、その結果、遮熱コーティングの耐用年数が比較的短くなります。第 2 段階では、6 wt% ～ 8 wt% の Y2O3 部分安定化 ZrO2 (YSZ) セラミック層を使用しました。希土類酸化物 Y2O3 のドーピングにより、ZrO2 の相変態温度が上昇し、セラミック系の高温での相安定性が向上しました。YSZ は、現在でも世界中で最も広く使用されている遮熱コーティング セラミック材料です。
しかし、使用温度が徐々に上昇するにつれて、YSZ システムは相安定性、耐焼結性、および熱サイクル疲労性能における限界を徐々に露呈してきました。特に 1200 度を超える高温環境では、YSZ は相変態を起こしやすく、構造の脆化やコーティングの破損につながります。これらの問題を解決するために、研究者は新しいセラミック材料システムの探索を開始しました。
ジルコニウム-ベースの粉末: 遮熱コーティングの「断熱装甲」-の最初のハードル。
遮熱コーティング用途において、「ナノ酸化ジルコニウム粉末および中空球状酸化ジルコニウム粉末」から調製されたコーティングは、従来の微細構造コーティングよりも優れた性能を示します。
その「独特の微細構造」により、ナノ構造遮熱コーティングは通常、より高い焼結耐性とより優れた歪み耐性を備え、それによりコーティングの耐用年数が大幅に向上します。中空球状構造の遮熱コーティングは、その「多孔質特性」により、コーティングの熱伝導率を効果的に低減し、より優れた断熱性を提供すると同時に、より優れた安定性およびその他の特性を備えています。初期の酸化ジルコニウム粉末の特性は、コーティングの性能に決定的な影響を与えます。したがって、既存の粉体製造プロセスを最適化するか、より優れたプロセスを探索し、より優れた性能を備えた新しいタイプの粉体を開発することが、遮熱コーティングの性能を向上させ、先進的で高度な分野の要件を満たすための重要な道となります。{3}}
ジルコニウム-ベースの高温遮熱コーティングに使用される粉末の調製方法には、蒸着、溶融塩法、ゾルゲル法、均一沈殿法、水熱法、テンプレート法などが含まれます。-その中でも特に注目されているのが「水熱法」であり、開発の可能性が大きい化学的製造法であり、純粋／ドープナノ酸化ジルコニウム粉末の製造において顕著な利点を示している。テンプレート法は、異なるサイズのテンプレート剤を選択することにより、中空球の直径と壁の厚さを正確に制御することができ、中空球構造の制御可能な調製を実現する有効な手段です。スプレー熱分解は大規模生産に適しており、前駆体制御液体の噴霧、乾燥、熱分解プロセスを通じて 1 ステップで中空の球状構造を形成します。-
ジルコニウム-ベースの粉末材料の主な調製技術の比較
新しいジルコニウムベースの遮熱セラミック層を開発するためにレアアースを導入します。{0}
一方で、複数の希土類酸化物-酸化イッテルビウム、酸化スカンジウム、酸化ガドリニウム、酸化セリウム-を同時にドーピングしながら、既存の遮熱コーティング材料を改良すると、まったく異なる効果が得られる可能性があります。
その一方で、新しいジルコニウム-ベースの複合粉末（酸化ジルコニウムと希土類塩の複合システムなど）の開発も重要な研究方向となっています。
YSZ と比較して、ジルコン酸希土類 (RE2Zr2O7) 材料は、熱伝導率が低く、相安定性が高く、耐焼結性が優れているため、次世代の TBC セラミック材料の中核候補となっています。研究によると、希土類ジルコン酸塩の優れた特性により、コーティングの熱衝撃性能と熱サイクル寿命が大幅に向上することが示されています。たとえば、La2Zr2O7と8YSZの-層コーティング構造では、外側のLa2Zr2O7材料が熱伝導率を大幅に低下させ、熱衝撃回数と熱酸化寿命を延ばすことができ、「低熱伝導率{{13}}高い安定性」の相乗効果を実証しています。
さらに、近年では、タンタル酸希土類（RE2Ta2O7）とニオブ酸希土類（RE2Nb2O7）が、超低い熱伝導率と優れた熱安定性を備えた材料として、新たな研究のホットスポットとなっています。{6}靭性が低いため、コーティング材料としての用途は限られています。現在の研究は主に、多層複合構造または傾斜構造を通じて材料の機能的相補性を達成することに焦点を当てています。