مواد سرامیکی مورد استفاده در پوشش های سد حرارتی

در این مقاله قصد داریم تا ویژگی های اساسی مواد سرامیکی مورد استفاده در پوشش های سد حرارتی را مورد بررسی قرار دهیم. مواد سرامیکی برخلاف مواد فلزی، اغلبا مقاومت به اکسیداسیون، خوردگی و سایش بهتری دارند و نسبت به فلزات عایق حرارتی بهتری هستند. به جز زیرکونیای پایدار شده با ایتریا، سایر مواد مانند زیرکونات لانتانیوم و اکسیدهای عناصر خاک های کمیاب نیز مواد مناسبی برای تولید پوشش های سد حرارتی هستند.

مقدمه

در طی دهه ی گذشته، تلاش های تحقیقاتی برای توسعه و ساخت پوشش های سد حرارتی انجام شده است. این پوشش های سد حرارتی به منظور ساخت بخش های توربین مورد استفاده قرار می گیرد. علت استفاده از این مواد این است که مواد سنتی مورد استفاده در توربین دارای محدودیت استفاده در دماهای بالا هستند. پوشش های سد حرارتی بر روی قطعات انتقال، پوشش کاری محفظه ی سوخت، پره ها و باله های مرحله ی اول و سایر بخش های توربین گازی که در معرض حرارت قرار می گیرند، اعمال می شود. علت استفاده از این مواد اولا افزایش دمای ورودی و در نتیجه بهبود بازده می باشد و ثانیا کاهش نیاز به سرد کردن موتور می باشد.
پوشش های سرامیکی اولیه که در کاربردهای هوافضا مورد استفاده قرار می گرفت، لعاب های فریتی بودند که بوسیله ی ناسا مورد استفاده قرار گرفتند. این مواد پوشش های از جنس زیرکونیای پایدار شده با اکسید کلسیم بودند که بر روی نازل های اگزوز هواپیمای X-15 مورد استفاده قرار گرفت( این راکت در دهه ی 1960 بوسیله ی ناسا مورد استفاده قرار گرفت). این اولیه استفاده از پوشش های سد حرارتی در پروازهای هوایی بوده است. بخش های متحرک مورد استفاده در موتورهای جت هواپیما تحت تنش های گرمایی، شیمیایی و مکانیکی بسیار سختی قرار می گیرند. برخی از مواد سرامیکی مانند آلومینا، تیتانیا، مولایت زیرکن و و غیره برای استفاده در پوشش های سد حرارتی مورد بررسی قرار گرفته اند.
انتخاب مواد مورد استفاده در پوشش های سد حرارتی الزامات زیر را نیاز دارد:
1) دمای ذوب بالا
2) عدم وجود استحاله ی فازی در بین دمای اتاق تا دمای کاری
3) رسانایی گرمایی پایین
4) خنثی بودن شیمیایی
5) تطابق انبساط حرارتی میان ماده و زیرلایه ی فلزی
6) چسبندگی مناسب ماده به زیرلایه ی فلزی
7) نرخ زینترینگ پایین ریزساختار متخلخل
تعداد موادی که می توان از آنها در پوشش های سد حرارتی استفاده نمود، بسیار محدود است. از این رو تنها تعداد اندکی از مواد سرامیکی به طور کامل ملزومات ارائه شده در بالا را دارا می باشند. این مقاله ی یکی از اولین مقالاتی است که در آن در مورد مواد مورد استفاده در پوشش های سد حرارتی صحبت شده است. با استفاده از مطالعه ی این مقاله می توانید اطلاعات مفیدی در زمینه ی انتخاب مواد مورد نیاز برای پوشش های سد حرارتی به دست آورید.
ویژگی های برخی از سرامیک های مورد استفاده در پوشش های سد حرارتی در جدول 1 آورده شده است. در میان این ویژگی ها، ضریب انبساط حرارتی و رسانایی گرمایی مهمترین ویژگی ها محسوب می شوند. این داده ها از منابع مختلف جمع آوری شده اند و از این رو ممکن است که کامل نباشند. زیرلایه ی فلزی و باند کوت ها( Bond coats) نیز برای مقایسه در جدول آورده شده اند. اعداد آورده شده قبل از زیرکونیای پایدار شده با ایتریا( YSZ) بیان کننده ی درصد وزنی ایتریای موجود در زیرکونیا است. مزیت ها و محدودیت های زیرکونیای پایدار شده با ایتریا نسبت به سایر مواد سرامیکی در جدول 2 مورد مقایسه قرار گرفته است. در این جدول تکنیک های بهبود یافته در تولید پوشش های سد حرارتی آورده شده است.

مواد مورد استفاد در تولید پوشش های سد حرارتی
زیرکونیای پایدار شده با ایتریا( YSZ)
زیرکونیای پایدار شده با ایتریایی که دارای 7-8 درصد ایتریاست، به طور گسترده در تولید پوشش های سد حرارتی مورد مطالعه قرار گرفته است. علت این استفاده این است که این ماده بهترین کارایی را در کاربردهای دما بالا( مانند موتورهای دیزل و توربین های گازی) دارد. گزارشات در مورد استفاده از این ماده

در پوشش های سد حرارتی نیز زیاد است. پوشش های سد حرارتی تولید شده از زیرکونیای پایدار شده با ایتریا نسبت به پوشش های تولید شده از زیرکونیای پایدار شده با اکسید کلسیم یا اکسید منیزیم، دارای مقاومت به خوردگی بیشتری در برابر عوامل خورنده ای همچون سدیم سولفات و اکسید وانادیوم هستند. پوشش های سد حرارتی تولید شده از زیرکونیای پایدار شده با 18-20 درصد ایتریا نیز بوسیله ی محققین مورد بررسی قرار گرفته اند. یکی از محدودیت های اصلی YSZ دمای کاری محدود آن است. در واقع دمای کاری این ماده برای کاربردهای دراز مدت، زیر دمای 1473 کلوین است. در دماهای بالاتر استحاله ی فازی ť- تتراگونال به تتراگونال و تتراگونال به کیوبیک( t+c) و سپس تشکیل فاز مونوکلینیک( m) اتفاق می افتد. این استحاله های فازی تشکیل ترک در پوشش را سبب می شوند. در مقالات دمای 1223 کلوین را به عنوان دمای کاری پوشش های سد حرارتی تولید شده با زیرکونیای پایدار شده با اکسید کلسیم و اکسید منیزیم گزارش شده است. به عبارت دیگر این پوشش ها دارای غلظت بالایی از جاهای خالی یون اکسیژن هستند. در دمای بالا این جاهای خالی یون اکسیژن موجب انتقال یون اکسیژن می شود. این انتقال، اکسیداسیون باند کوت را در سطح مشترک باند کوت و پوشش سرامیکی ایجاد می کند. این پدیده تشکیل لایه ی اکسیدی رشد یافته( TGO) بر روی باند کوت نامیده می شود. این پدیده منجر به تخریب ماده ی سرامیکی می شود و این حالت از شکست پوشش های سد حرارتی در زمان هایی که لایه های پوشش داده شده بر روی توربین های گازی، نازک هستند، بیشتر مشاهده شده اند. این مشکل با ایجاد باند کوت های مقاوم در برابر اکسیداسیون( مانند آلومینا و مولایت) برطرف می گردد. یک مدل برای تخمین طول عمر پوشش های سد حرارتی توسعه پیدا کرده است که در آن، شکسته شدن پوشش به دلیل بوجود آمدن ترک در TGO حاصل می شود. همچنین در شکل 1 رابطه ی میان سیکل های حرارتی اعمال شده بر روی پوشش های سد حرارتی و دمای زیرلایه آورده شده است.

وجود ناخالصی سیلیس در زیرکونیای پایدار شده با ایتریا( حتی در حد 1 درصد)، دارای اثر تعیین کننده ی بر روی سیکل های حرارتی دارد. در سرامیک های زیرکونیایی بالک، سیلیس در مرزدانه ها جدایش فازی پیدا می کند و مقادیر زیادی از این ماده در نقاط سه گانه متمرکز می شوند. وجود سیلیس در مرزدانه ها موجب می شود تا شکل و اندازه ی دانه ها تغییر کرده و این مسئله ممکن است موجب شود تا ایتریای موجود در ناحیه ی مرزدانه های YSZ حل شده و این مسئله موجب می شود تا ناپایداری محلی رخ دهد. این ناپایداری موجب می شود تا ماده ی سرامیکی تخریب شود و یک چنین حالت شکستی در زمانی غالب است که پوشش ایجاد شده بر روی توربین گازی نازک باشد. سیلیس همچنین می تواند موجب شود تا در پلی کریستال های اکسید زیرکونیوم پلاستیسیته رخ دهد و افزایش ناگهانی در نرخ زینترینگ این ماده رخ دهد. این مسئله موجب کاهش رسانایی الکتریکی ماده می شود. در این حالت همچنین ممکن است نرخ خزش نیز افزایش یابد( این پدیده در سرامیک های پایه سیلیسی مشاهده می شود). به هر حال سیلیکات ها رسانایی اکسیژنی کمتری نسبت به سرامیک های YSZ ی دارند و ایجاد یک لایه ی نازک از سیلیکات بر روی باند کوت( به عنوان سد در برابر نفوذ اکسیژن) می تواند مقاومت در برابر اکسیداسیون این باند کوت ها را افزایش دهد.

مولایت

مولایت( mullite) یکی از مواد سرامیکی مهم است زیرا دانسیته ی پایین، پایداری حرارتی بالا، پایداری مناسب در محیط های شیمیایی، رسانایی حرارتی پایین و استحکام و رفتار خزش مطلوبی دارد. این ماده ترکیبی از سیلیس و آلومینا با فرمول شیمیاییاست. در مقایسه با YSZ، مولایت دارای ضریب انبساط حرارتی پایین تر، رسانایی حرارتی بالاتر است و مقاومت آن در برابر نفوذ اکسیژن نیز نسبت به YSZ بالاتر است. برای کاربردهایی مانند موتورهای دیزل، که در آنها دماهای سطحی کمتر از دماهایی است که در توربین های گازی وجود دارد، مولایت یک جایگزین مناسب برای استفاده زیرکونیا در پوشش های سد حرارتی است. تست های کاربردی انجام شده بر روی این دو ماده نشان داد که عمر مفید پوشش های مولایتی در این موتورها به طور قابل ملاحظه ای نسبت به پوشش های زیرکونیایی بیشتر است. در دماهایی بالاتر از 1273 کلوین، تعداد سیکل های حرارتی تحمل شده بوسیله ی پوشش های مولایتی بسیار کمتر از پوشش های زیرکونیایی است. پوشش های مولایتی در دمای بین 1023 تا 1273 کلوین کریستاله می شوند که این کریستالی شدن با انقباض حجمی همراه است که این انقباض موجب ایجاد ترک و جدایش بین ماده ی سرامیکی و زیرلایه می شود. مولایت بهترین ماده ی برای ایجاد پوشش بر روی زیرلایه های سیلیسیم کاربیدی است زیرا ضرایب انبساط حرارتی این دو ماده با هم تطابق دارد.

آلومینا

آلفا- آلومینا تنها فاز پایدار از آلومینا در بین فازهای مختلف آن است. این ماده دارای سختی بالایی است و همچنین از لحاظ شیمیایی خنثی است. رفتار ایروژن پوشش های آلومینایی تولید شده با روش پلاسما اسپری( هم روش پلاسما اسپری اتمسفری و هم تحت خلا) توسط محققین مورد بررسی قرار گرفته و خواص این پوشش ها با حالت بالک آنها مورد مقایسه قرار گرفته است. افزودن مقدار معینی آلومینا به پوشش های YSZی می تواند سختی و استحکام این پوشش ها را بدون آن که مدول یانگ و تافنس آنها تغییر خاصی پیدا کنند، بهبود دهد. سختی پوشش های YSZ می تواند همچنین با استفاده از ایجاد یک پوشش آلومینایی با روش پلاسما اسپری بر روی پوشش YSZ افزایش یابد. به هر حال پوشش آلومینایی تولید شده با روش پلاسما اسپری عمدتا از فازهای ناپایدار آلومینا مانند فاز گاما، و سیگما تشکیل می شود. این فازهای ناپایدار در طی سیکل های حرارتی به فاز آلفا تبدیل می شوند. که این استحاله نیز با تغییر حجمی قابل ملاحظه ای روبروست( تبدیل گاما به آلفا تغییر حجمی 15درصد ایجاد می کند). ایجاد یک چنین تغییر حجمی موجب می شود تا میکروترک هایی در پوشش بوجود آید. دوپ( doping) اکسیدهای عناصر انتقالی مانندبه آلومینا می تواند تنها فاز آلفا را به طور جزئی پایدار کند. به عبارت دیگر آلومینا دارای رسانایی گرمایی به نسبت بالا و ضریب انبساط حرارتی به نسبت پایینی در مقایسه با YSZ است. با استفاده از الیاف سیلیسیم کاربیدی، ویژگی های مکانیکی پوشش آلومینا می تواند به طور قابل ملاحظه ای بهبود یابد. اگر چه آلومینا به تنهایی یک ماده ی مناسب برای استفاده در پوشش های سد حرارتی نیست، با افزودن آن به YSZ می توان سختی پوشش را افزایش داد و مقاومت در برابر اکسیداسیون زیرلایه را نیز بهبود بخشید. استفاده از یک پوشش ترکیبی( آلومینا با 8YSZ)، می توان پوششی با عمر مفید بیشتر نسبت به پوشش 8YSZ داشت.
زیرکونیای پایدار شده با ایتریا بعلاوه ی اکسید سریم()
دارای ضریب انبساط حرارتی بالاتری و رسانایی حرارتی پایین تری نسبت به YSZ است. و افزودن آن به پوشش های YSZ به منظور بهبود سیکل های حرارتی، پیشنهاد شده است. با افزودن اکسید سریم به YSZ می توان قابلیت پذیرش شک حرارتی پوشش- زیرلایه را افزایش نمود. پوشش های دوپ شده با سریا دارای مقاومت به شک حرارتی بهتری هستند زیرا:
1) در پوشش های YSZ+ استحاله ی فازی مونوکلینیک به تتراگونال کمتر رخ می دهد.
2) تنش ایجاد شده بوسیله ی اکسیداسیون باند کوت مشابه پوشش های ترکیبی YSZ – اکسید سریم است زیرا این ماده دارای عایق کاری حرارتی بهتری هستند.
3) ضریب انبساط حرارتی پوشش های YSZ – اکسید سریم بزرگتر است
به هر حال افزودن اکسید سریم دارای اثرات منفی نیز هست. مثلا کاهش سختی و تغییر استوکیومتری پوشش. علت این تغییر در استوکیومتری تبخیر شدن اکسید سریم است. کاهش به و تشدید سرعت زینترینگ پوشش یکی دیگر از اثرات بد این ماده است.
که به طور خلاصه به آن LZ گفته می شود، اخیرا به عنوان یک ماده ی مورد استفاده در پوشش های سد حرارتی، پیشنهاد گردیده است. این ماده دارای ساختار پیروکلر مکعبی( cubic pyrochlore) است. ساختار کریستالی شامل اکتاهدرال های ZrO6 است که این اکتاهدرال ها گوشه های خود را به اشتراک گذاشته اند و بخش اصلی شبکه را تشکیل داده اند. یون های لانتانیوم سه بار مثبت حفراتی را پر کرده اند که بوسیله ی 6 تا از اکتاهدرال هایتشکیل شده است. این ساختار می تواند جاهای خالی بسیاری در محل قرار گیر ی یون های لانتانیوم سه بار مثبت، زیرکونیوم 4 بار مثبت و اکسیژن دو بار مثبت داشته باشد، بدون آنکه استحاله ی فازی در آن رخ دهد. مکان های قرارگیری لانتانیوم سه بار مثبت و زیرکونیوم 4 بار مثبت می تواند بوسیله ی گستره ی وسیعی از عناصر دیگر( که دارای شعاع یونی برابر) جایگزین گردد( با در نظر گرفتن خنثی بودن بار کلی شبکه). این جایگزینی می تواند ویژگی مقاومت در برابر شک حرارتی را بهبود دهد. اکسید های اندکی وجود دارد که دارای ساختار پیروکلر هستند( مانند). این مواد دارای فازهای پایدار تا نقطه ی ذوبشان هستند( شکل 2). علت اصلی اینکه این اعتقاد وجود دارد که این مواد دارای پتانسیل استفاده شدن در پوشش های سد حرارتی را دارند، نیز همین پایداری فازی این مواد تا نقطه ی ذوبشان است. به عبارت دیگرحتی دارای رسانایی حرارتی کمتری نسبت به YSZ است. به هر حال پوشش های تولیدی از این مواد دارای سیکل های تحمل حرارتی کمتری نسبت به YSZ است که این امر ممکن است به خاطر ضریب انبساط حرارتی نسبتا پایین و تافنس ضعیف این ماده باشد. با جایگزینی اکسید سریم به جای اکسید زیرکونیوم( LC)، ضریب انبساط حرارتی پوشش افزایش یافته و سیکل عمر مفید این پوشش های افزایش می یابد( شکل 3)، که این افزایش حتی بهتر از پوشش های استاندارد تولید شده از 8YSZ است.

سیلیکات ها

از گروه بزرگ مواد سیلیکاتی، تنها اسپری کردن زیرکن() یا ماسه ی طبیعی زیرکنی در مقالات مورد بررسی قرار گرفته است. زیرکن دارای ضریب انبساط حرارتی پایین(در گستره ی دمای 300 تا 1700 کلوین) و رسانایی حرارتی بالایی است(در گستره ی دمای 365 تا 1810 کلوین).
این ماده از لحاظ شیمیایی خنثی است( مخصوصا در دماهای پایین). به استثنای اسید هیدروفلئوریک، زیرکن عموما بوسیله ی اسید ها خورده نمی شود اما این ماده در دماهای بالا با بازها واکنش می دهد. زیرکن دارای دمای ذوب معینی نمی باشد و پیش از ذوب شدن جدایش پیدا می کند. تجزیه ی حرارتی زیرکن در دمای 1949 کلوین یا حتی در دمای 1558 کلوین نیز رخ می دهد( بسته به میزان خلوص آن). در طی فرایند پلاسما اسپری، زیرکن جدایش فازی پیدا می کند و درنتیجه پوشش به مخلوطی ازکریستالی وآمورف تبدیل می شود. وقتی از زیرکن به عنوان یک پوشش سد حرارتی در موتور دیزل استفاده می کنیم، سیلیس تجزیه شده در پوشش ممکن است مشکلاتی بوجود آورد زیرا SiO وتبخیر می گردد. در این پوشش ها اثر پوششی به دلیل وجود فازدر پوشش، وجود دارد. تعداد اندکی از مواد سیلیکاتی به نسبت ارزان هستند و به سهولت می توان از آنها در پوشش های سد حرارتی استفاده نمود. مثال هایی از این مواد عبارتند از گارنت آلماندین()، گارنت پیروپ()، گارنت آندرادیت- گروسولار()، شیشه ی بازالتی. پوشش تولید شده از اکسیدهای ترکیبی مانند()،مقاومت به شک حرارتی و خوردگی داغ بالایی دارند.

اکسید های خاک های کمیاب

مخلوط اکسیدهای عناصر خاک های کمیاب به سهولت در دسترس هستند و بسیار ارزان قیمت هستند. پوشش های اکسید های خاکهای کمیاب( مانند()،دارای نفوذ حرارتی پایین و ضریب انبساط حرارتی بالاتری نسبت به()،هستند. این مواد دارای ویژگی های مناسبی هستند که آنها را به عنوان نامزدهایی برای تولید پوشش های سد حرارتی معرفی کرده است. بیشتر اکسید های خاک های کمیاب در دماهای بالا دارای فرم های کریستالی مختلفی هستند. و ناپایداری فازی این مواد یکی از موانع بر سر استفاده ی این مواد به عنوان پوشش های سد حرارتی تلقی می گردد.

کامپوزیت های شیشه- فلز

این مواد یکی از مواد جدید در زمینه ی پوشش های سد حرارتی است. مخلوط پودر فلز و شیشه ی معمولی می تواند به وسیله ی روش اسپری تحت خلا بر روی زیرلایه اعمال گردد. با استفاده از یک ترکیب مناسب از این مواد، پوشش سد حرارتی مناسبی پدید می آید که ضریب انبساط حرارتی آن با زیرلایه ی فلزی متناسب است و رسانایی حرارتی آنها نیز تقریبا دو برابر YSZ است. در اصل سه دلیل وجود دارد که پوشش های سد حرارتی تولید شده از فلز-شیشه دارای عمر مفید بالایی هستند. اولین مورد ضریب انبساط حرارتی بالا()،، دوما چسبندگی خوب به باند کوت و سوما عدم وجود تخلخل های باز می باشد. یک چنین پوشش هایی دارای تخلخل باز نیستند و از این رو باند کوت در این پوشش ها تحت اکسیداسیون گازهای خورنده قرار نمی گیرد. شکل 4 ریزساختار یک چنین پوششی را بعد از عملیات حرارتی، نشان می دهد.

سرامیک های گارنتی با فرمول عمومی به عنوان موادی برای استفاده در پوشش های سد حرارتی پیشنهاده شده اند. به طور نمونه دارای ویژگی های مکانیکی عالی در دمای بالا، پایداری فازی/ حرارتی استثنایی تا نقطه ی ذوب( 2234K) و رسانایی حرارتی پایین است. نفوذ اکسیژن در YAG تقریبا 10 برابر کمتر از زیرکونیا است که این مسئله نشان دهنده ی این است که مقاومت در برابر اکسیژن این ماده بیشتر است. از این رو می توان از این ماده استفاده نمود و باند کوت را محافظت نمود. به هر حال ضریب انبساط حرارتی نسبتا پایین و دمای ذوب پایین این ماده، مهم ترین مشکلات موجود می باشد.

تاکنون تنها دو ماده با ساختار پروسکایت مورد مطالعه قرار گرفته اند
). این مواد دارای نقطه ذوب بسیار بالایی هستند( به ترتیب 3073K و 2963K ). ضرایب انتقال حرارت این مواد( که به ترتیب برابر؛ در گستره ی دمایی 303 تا 1273 کلوین) نسبتا پایین تر از YSZ است. کارهای قبلی بر روی پوشش های سد حرارتی تولید شده از نشان داد که این پوشش ها مقاومت به شک حرارتی بهتری نسبت به YSZ از خود نشان می دهند. دارای ناپایداری فازی است که این مسئله به طور قابل محسوسی بر روی مقاومت در برابر شک حرارتی این ماده تأثیر دارد.
آلومینات لانتانیوم
یک پوشش جدید سرامیکی بر پایه ی آلومینا توسعه پیدا کرده است که دارای اکسید لانتانیوم، آلومینا و اکسید منیزیم است( عناصر قلیایی خاکی، این ماده دارای ساختار مگنتو پلومبیت است). این ماده تا دمای 1673 کلوین، دارای پایداری ساختاری و ترموشیمیایی بالایی است. این پوشش دارای نرخ زینترینگ پایین تری نسبت به پوشش های سد حرارتی تولید شده بر پایه ی زیرکونیاست. رسانایی حرارتی پایین تر LHA به خاطر ریز ساختار این ماده حاصل می شود. ریزساختار این ماده یک آرایش رندوم از صفحات LHA است که پوششی متخلخل ایجاد می کند. این پوشش متخلخل دارای ویژگی عایق کاری بسیار خوبی است. مطالعات انجام شده نشان می دهد که یک بررسی کامل در زمینه ی فرایند، تولید و به کار بردن این ماده به عنوان یک پوشش سد حرارتی انجام شده است.


این گزارش شده است که این مواد دارای رسانایی گرمایی پایین تری نسبت به زیرکونیا هستند و ضریب انبساط حرارتی آنها تقریبا صفر است. به عبارت دیگر این مواد نسبت به زیرکونیا چگالی کمتری دارند و دانسیته ی تئوری آنها برابر 3.2 است( دانسیته ی زیرکونیا برابر 5.8 می باشد). علاوه بر این هیچ کاهش استحکامی در زمان کوئینچ کردن این مواد در هوا( از دمای اتاق تا دمای 1773 کلوین) رخ نمی دهد. و این نشاندهنده ی مقاومت به شک حرارتی مناسب این ماده می باشد. این به درستی مشخص نمی باشد که اگر این ماده بتواند به طور واقعی برای پوشش های سد حرارتی مورد استفاده قرار گیرد، چه نتایجی را به همراه دارد زیرا ضریب انبساط حرارتی آن پایین است. اطلاعات بیشتری در مورد استفاده از این ماده گزارش نشده است.

فسفات لانتانیوم یک ماده ی مونوکلینیک است که دارای 4 واحد فرمولی در n واحد سلولی است. این ماده به عنوان یک ماده ی بالقوه بر ای استفاده در پوشش های عایق اعمال شده بر روی سوپرآلیاژهای پایه نیکل، مطرح است که علت این مسئله پایداری حرارتی بالا، ضریب انبساط حرارتی بالا، و رسانایی پایین آن می باشد( نقطه ذوب این مواد برابر 2345 کلوین است). علاوه بر این فسفات لانتانیوم دارای مقاومت به خوردگی بالایی در محیط های دارای نمک های گوگرد دار و وانادیوم دار است. این ماده با آلومینا واکنش نمی دهد؛ که این مسئله مورد بسیار مهمی است. البته این ماده پیوند ضعیفی با آلومینا ایجاد می کند و این امر یکی از محدودیت های استفاده از آن در این کاربردهاست. به عبارت دیگر فسفات لانتانیوم یک ترکیب خطی است که به طور وابسته ذوب می شود اما انحراف استوکیومتری اندک در آن، باعث می گردد تا دمای سالیدوس آن از 2343 کلوین به 1853 کلوین کاهش یابد. از این نقطه نظر، این مشکل به نظر می رسد که انتظار داشته باشیم پوشش حاصله از این ماده بتواند در کاربردهای دما بالا مورد استفاده قرار گیرد. هیچ تست سیکل حرارتی بر روی این پوشش ها گزارش نشده است.

خلاصه:

در جدول تناوبی عناصر، اکسید عناصری که در پوشش های سد حرارتی مورد استفاده قرار می گیرند، عمدتا از اکسیدهای عناصر گروه 3 فرعی( عناصر خاک های کمیاب)، گروه 4 فرعی( تیتانیوم، زیرکونیوم و هافنیوم)، عناصر گروه 3 اصلی( Al)، و عناصر گروه 4 اصلی( سیلیسیوم) هستند. عناصر گروه 2 اصلی( منیزیم و کلسیم) تنها به عنوان پایدار کننده ی زیرکونیا مورد استفاده قرار می گیرند. اکسیدهای عناصر خاکهای کمیاب بهترین مواد برای تولید پوشش های سد حرارتی هستند زیرا این مواد رسانایی گرمایی پایینی داشته، ضریب انبساط حرارتی شان بالاست و از لحاظ شیمیایی نیز خنثی هستند. با دوپ کردن عناصر خاص، ضریب انبساط حرارتی می تواند افزایش یابد. وقتی ضریب انبساط حرارتی به مقادیر مشابه با پوشش های YSZ افزایش یابد، پوشش می تواند برای کاربردهای دما بالا نیز مورد استفاده قرار گیرد. به عبارت دیگر همانگونه که لایه های دوتایی از MCrAlY و YSZ در حال توسعه می باشد و در حال رسیدن به حالت بهینه ی خود است، توسعه ی پوشش های سد حرارتی باید به سمت تولید مواد مختلف و فرایند های مختلف رسوب دهی حرکت کند. این به نظر می رسد که جنبه ی چندلایه ای می تواند برای بهبود مقاومت در برابر شک پذیری این پوشش های سد حرارتی، مفید باشد زیرا هیچ ماده ای به تنهایی دارای ویژگی های کامل نمی باشد. این پوشش های چندلایه می توانند شامل یک لایه ی مقاوم در برابر ایروژن، یک لایه ی خارجی، یک لایه ی سد حرارتی، یک لایه ی مقاوم در برابر اکسیداسیون و خوردگی، یک لایه ی کنترل کننده ی تنش های حرارتی و یک لایه ی جلوگیری کننده در برابر نفوذ باشد. بر اساس یک سیستم چندلایه ای، یک سیستم دارای لایه ی دوتایی سرامیکی به تازگی توسعه پیدا کرده است( شکل 5). بر روی پوشش 8YSZ یک پوشش دیگر که دارای رسانایی گرمایی کمتری نسبت به 8YSZ است، پوشش داده شده است. پوشش سرامیکی بالایی نقش لایه ی عایق را بازی می کند و از لایه ی 8YSZمحافظت می کند. همانگونه که بوسیله ی محققین گزارش شده است، عملکرد این گونه پوشش ها سد حرارتی( + 8YSZ) عالی است.پوشش های تولید از + 8YSZ نیز دارای مقاومت در برابر شک حرارتی مطلوبی هستند. در کل چندین دهه توسعه ی پوشش های سد حرارتی نشاندهنده ی این است که با اینکه تمام ویژگی های ضروری برای یک پوشش سد حرارتی در نظر گرفته شده است، ولی باز هم جایگزینی YSZ با یک ماده ی دیگر مشکل است.

استفاده از مطالب این مقاله با ذکر نام منبع راسخون بلا مانع می باشد.
منبع:ceramic materials for thermal barrier coatings/ X.Q.Cao et al. Journal of European Ceramic Society