تھرمل بیریئر کوٹنگز دھاتی پرزوں پر "حرارت-موصل کرنے والی آرمر" لگاتی ہیں۔
ایرو انجنوں اور گیس ٹربائنز کے شعبوں میں، ایک ابدی تعاقب ہے: ٹربائن کے داخلی درجہ حرارت میں اضافہ۔ اس وجہ سے، مواد کے سائنس دان مسلسل ٹربائنز کے اعلی-درجہ حرارت کی مزاحمت کو بہتر بنانے کے طریقے تلاش کر رہے ہیں، اور سب سے مؤثر طریقوں میں سے ایک "حفاظتی لباس"-کوٹنگ ٹربائن کے اجزاء کو کوٹنگز کے ساتھ لگانا ہے جن کے مختلف افعال ہوتے ہیں، اس طرح بہتر زندگی، خدمت کی بہتر کارکردگی اور طویل سروس کی صلاحیت حاصل ہوتی ہے۔
ایرو انجن (GP7200) میں تھرمل بیریئر کوٹنگز اور ایک عام تھرمل بیریئر کوٹنگ سسٹم کی کراس-سیکشنل مورفولوجی
فی الحال، تھرمل بیریئر ملعمع کاری دھاتی مواد کی خدمت کی حدود کو توڑنے کے لیے ایک اہم معاون ٹیکنالوجی بن چکی ہے۔
تھرمل بیریئر کوٹنگز (TBCs) ایک قسم کی موصلی کوٹنگ ہے جو ساختی کارکردگی اور فنکشنل خصوصیات کو یکجا کرتی ہے۔ ان کا ایک کثیر پرت کا ڈھانچہ ہے جیسے "سینڈوچ"، جس میں سیرامک تھرمل موصلیت کی تہہ، ایک دھاتی بانڈ کوٹ، اور ایک سپر الائے سبسٹریٹ ہوتا ہے۔ ان میں سے، سیرامک ٹاپ پرت تھرمل بیریئر کوٹنگ کی بنیادی فنکشنل پرت ہے، جو براہ راست تھرمل جھٹکا، کٹاؤ، اور اعلی درجہ حرارت کی گیس کے کیمیائی سنکنرن کو برداشت کرتی ہے۔ مواد کا انتخاب اور اس پرت کا ساختی ڈیزائن براہ راست تھرمل موصلیت کا اثر اور کوٹنگ کی سروس لائف کا تعین کرتا ہے۔
تھرمل رکاوٹ کوٹنگ کی ساخت
زرکونیم-کی بنیاد پر مواد اعلی-درجہ حرارت کی تھرمل بیریئر کوٹنگز کی سیرامک پرت کے لیے ترجیحی مواد ہیں۔
چونکہ زرکونیم-کی بنیاد پر مواد میں تھرمل موصلیت کی بہترین کارکردگی، اعلی-درجہ حرارت کی آکسیڈیشن مزاحمت، اعلی-درجہ حرارت کی سنکنرن مزاحمت، اور نسبتاً زیادہ طاقت ہوتی ہے، یہ اعلی-درجہ حرارت کو برقرار رکھنے والی سیرامک تہہ کے لیے ترجیحی مواد بن گئے ہیں۔
زرکونیم پر مبنی تھرمل بیریئر کوٹنگز کی ترقی کا پہلا مرحلہ زرکونیم آکسائیڈ (ZrO2) کا سیرامک پرت کے مواد کے طور پر براہ راست استعمال تھا۔ حرارت کے دوران ZrO2 کی تیز رفتار تبدیلی اس کے سروس درجہ حرارت کو محدود کر دیتی ہے، جس کے نتیجے میں تھرمل بیریئر کوٹنگ کے لیے نسبتاً مختصر سروس لائف ہوتی ہے۔ دوسرا مرحلہ 6 wt%~8 wt% Y2O3 جزوی طور پر مستحکم ZrO2 (YSZ) سیرامک تہوں کا استعمال تھا۔ نایاب ارتھ آکسائیڈ Y2O3 کے ساتھ ڈوپنگ نے ZrO2 کے فیز ٹرانسفارمیشن درجہ حرارت میں اضافہ کیا، سیرامک سسٹم کے اعلی-درجہ حرارت کے مرحلے کے استحکام کو بہتر بنایا، اور YSZ اب بھی دنیا بھر میں سب سے زیادہ استعمال ہونے والا تھرمل بیریئر کوٹنگ سیرامک مواد ہے۔
تاہم، جیسے جیسے سروس کے درجہ حرارت میں بتدریج اضافہ ہوتا ہے، YSZ سسٹم نے مرحلہ وار استحکام، سنٹرنگ مزاحمت، اور تھرمل سائیکلنگ کی تھکاوٹ کی کارکردگی میں اپنی حدود کو بتدریج ظاہر کر دیا ہے۔ خاص طور پر 1200 ڈگری سے زیادہ درجہ حرارت والے ماحول میں، YSZ مرحلے میں تبدیلی کا شکار ہے، جس کی وجہ سے ساختی خرابی اور کوٹنگ کی ناکامی ہوتی ہے۔ ان مسائل کو حل کرنے کے لیے، محققین نے نئے سرامک مواد کے نظام کو تلاش کرنا شروع کر دیا ہے۔
زرکونیم-کی بنیاد پر پاؤڈر: تھرمل بیریئر کوٹنگز کے "حرارت-بتر بند کرنے کے لیے پہلی رکاوٹ۔
تھرمل بیریئر کوٹنگ ایپلی کیشنز میں، "نینو زرکونیم آکسائیڈ پاؤڈرز اور کھوکھلی کروی زرکونیم آکسائیڈ پاؤڈرز" سے تیار کردہ کوٹنگز روایتی مائیکرو اسٹرکچرڈ کوٹنگز کے مقابلے میں زیادہ عمدہ کارکردگی کا مظاہرہ کرتی ہیں۔
ان کے "منفرد مائیکرو اسٹرکچر" کی وجہ سے، نانو اسٹرکچرڈ تھرمل بیریئر کوٹنگز میں عام طور پر زیادہ سنٹرنگ مزاحمت اور بہتر تناؤ رواداری ہوتی ہے، اس طرح کوٹنگ کی سروس لائف میں نمایاں بہتری آتی ہے۔ کھوکھلی کروی ساخت والی تھرمل بیریئر کوٹنگز، اپنی "غیر محفوظ خصوصیات" کی وجہ سے کوٹنگ کی تھرمل چالکتا کو مؤثر طریقے سے کم کر سکتی ہیں اور بہتر تھرمل موصلیت فراہم کر سکتی ہیں، جبکہ بہتر استحکام اور دیگر خصوصیات بھی رکھتی ہیں۔ ابتدائی زرکونیم آکسائڈ پاؤڈر کی خصوصیات کوٹنگ کی کارکردگی پر فیصلہ کن اثر ڈالتی ہیں۔ لہذا، موجودہ پاؤڈر بنانے کے عمل کو بہتر بنانا-زیادہ بہترین کو تلاش کرنا، اور بہتر کارکردگی کے ساتھ پاؤڈر کی نئی اقسام تیار کرنا، تھرمل بیریئر کوٹنگز کی کارکردگی کو بہتر بنانے اور جدید اور نفیس فیلڈز کی ضروریات کو پورا کرنے کا کلیدی راستہ ہے۔
زرکونیم-کی بنیاد پر اعلی-درجہ حرارت کی تھرمل رکاوٹ کوٹنگز میں استعمال ہونے والے پاؤڈروں کی تیاری کے طریقوں میں بخارات جمع کرنا، پگھلے ہوئے نمک کا طریقہ، سول-جیل کا طریقہ، یکساں ورن کا طریقہ، ہائیڈرو تھرمل طریقہ، ٹیمپلیٹ طریقہ، اور دیگر شامل ہیں۔ ان میں سے، خاص طور پر قابل ذکر "ہائیڈرو تھرمل طریقہ"، ایک کیمیائی تیاری کے طریقہ کار کے طور پر جو بڑی ترقی کی صلاحیت رکھتا ہے، خالص/ڈوپڈ نینو زرکونیم آکسائیڈ پاؤڈر کی تیاری میں شاندار فوائد کو ظاہر کرتا ہے۔ ٹیمپلیٹ کا طریقہ مختلف سائز کے ٹیمپلیٹنگ ایجنٹوں کو منتخب کرکے کھوکھلی کرہوں کے قطر اور دیوار کی موٹائی کو درست طریقے سے کنٹرول کرسکتا ہے، اور کھوکھلی کروی ڈھانچے کی قابل کنٹرول تیاری کو حاصل کرنے کا ایک مؤثر ذریعہ ہے۔ سپرے پائرولیسس بڑے-پیمانے کی پیداوار کے لیے زیادہ موزوں ہے، جو کہ ایک قدم میں کھوکھلی کروی ڈھانچے کی تشکیل کرتا ہے، جو کہ ایک پیشگی-کنٹرول مائع کی ایٹمائزیشن، خشک کرنے اور پائرولیسس کے عمل کے ذریعے ہوتا ہے۔
زرکونیم-کی بنیاد پر پاؤڈر مواد کے لیے تیاری کی اہم ٹیکنالوجیز کا موازنہ
نئی زرکونیم-کی بنیاد پر تھرمل بیریئر سیرامک تہوں کو تیار کرنے کے لیے نایاب زمینوں کا تعارف۔
ایک طرف، موجودہ تھرمل بیریئر کوٹنگ مواد کو بہتر بنانا جبکہ بیک وقت متعدد نادر ارتھ آکسائیڈز-یٹربیم آکسائیڈ، سکینڈیم آکسائیڈ، گیڈولینیم آکسائیڈ، سیریم آکسائیڈ-کے ساتھ ڈوپنگ مکمل طور پر مختلف اثرات پیدا کر سکتے ہیں۔
دوسری طرف، نئے زرکونیم پر مبنی جامع پاؤڈرز (جیسے زرکونیم آکسائیڈ اور نایاب زمینی نمکیات کے جامع نظام) تیار کرنا بھی ایک اہم تحقیقی سمت بن گیا ہے۔
YSZ کے مقابلے میں، rare Earth zirconate (RE2Zr2O7) مواد کم تھرمل چالکتا، اعلی فیز استحکام، اور بہتر سنٹرنگ مزاحمت کی نمائش کرتے ہیں، جو انہیں TBC سیرامک مواد کی اگلی نسل کے لیے بنیادی امیدوار بناتے ہیں۔ مطالعات سے پتہ چلتا ہے کہ نایاب زمین کے زرکونیٹس کی عمدہ خصوصیات تھرمل شاک کی کارکردگی اور کوٹنگز کی تھرمل سائیکلنگ کی زندگی کو نمایاں طور پر بہتر بنا سکتی ہیں۔ مثال کے طور پر، La2Zr2O7 اور 8YSZ کی ڈبل-پرت کوٹنگ کے ڈھانچے میں، بیرونی La2Zr2O7 مواد تھرمل چالکتا کو نمایاں طور پر کم کر سکتا ہے اور تھرمل جھٹکوں کی تعداد اور تھرمل آکسیڈیشن لائف کو بڑھا سکتا ہے، جس سے "کم تھرمل چالکتا- کے ہم آہنگی کا فائدہ ہوتا ہے۔
اس کے علاوہ، حالیہ برسوں میں، نایاب ارتھ ٹینٹلیٹس (RE2Ta2O7) اور نایاب ارتھ نیوبیٹس (RE2Nb2O7)، الٹرا-کم تھرمل چالکتا اور بہترین تھرمل استحکام والے مواد کے طور پر، تحقیق کے نئے ہاٹ سپاٹ بن گئے ہیں۔ ان کی ناقص سختی کی وجہ سے، کوٹنگ مواد کے طور پر ان کا استعمال محدود ہے۔ موجودہ تحقیق بنیادی طور پر ملٹی لیئر کمپوزٹ ڈھانچے یا تدریجی ڈھانچے کے ذریعے مواد کی فنکشنل تکمیل کو حاصل کرنے پر مرکوز ہے۔