RSS-ленты
РусскийEnglish
Выпуск 3, 2025 Получить статью →
Выпуски Авторы PACS Подписчикам Для авторов
Поиск →

Выпуски

 / 

2025

 / 

Март

←  →

Обзоры актуальных проблем


Современные и перспективные материалы для термобарьерных покрытий

† 
Институт химии твердого тела УрО РАН, ул. Первомайская 91, Екатеринбург, 620219, Российская Федерация

Газотурбинные двигатели широко используются в электроэнергетике и авиастроении. Для снижения экстремальных нагрузок высоких температур на элементы камеры сгорания используют термобарьерные покрытия (ТБП), которые представляют собой напыление из тугоплавкой керамики на жаростойкие никелевые сплавы, позволяющие значительно снизить температуру подложки. Важнейшим вызовом перед научным сообществом остаётся дальнейшее повышение эксплуатационной температуры газотурбинных двигателей для увеличения их эффективности. Традиционно в промышленности применяется диоксид циркония, стабилизированный иттрием, ввиду совокупности своих физико-химических свойств, таких как невысокая теплопроводность, умеренный коэффициент термического расширения, высокая термическая стойкость и твёрдость. Однако наличие фазового перехода, происходящего в стабилизированном оксидом иттрия диоксиде циркония (YSZ) при эксплуатационных температурах, делает невозможным дальнейшее повышение рабочих температур газотурбинных двигателей. Для решения возникшей проблемы привлекаются два основных подхода: дальнейшая модификация диоксида циркония (его допирование) и поиск новых альтернативных материалов. На текущий момент рассмотрен большой перечень всевозможных материалов, включая разнообразные сложные оксиды, такие как перовскиты (SrCeO3), пирохлоры (La2Zr2O7, флюориты (La2Ce2O7) и пр. Ни один из рассмотренных материалов в исходном виде не позволил заменить YSZ в газотурбинных двигателях. Для оптимизации свойств новых тугоплавких оксидов применяется допирование, граничным случаем которого является создание высокоэнтропийных материалов. Смешение пяти и более катионов в эквиатомном соотношении позволяет достичь чрезвычайно низких значений теплопроводности и повышенной термической стабильности высокоэнтропийной керамики, поэтому такие материалы считаются наиболее перспективными для получения термобарьерных покрытий газотурбинных двигателей нового поколения. Настоящий обзор посвящён рассмотрению основных материалов и высокоэнтропийных оксидов на их основе в качестве альтернатив YSZ.

Текст pdf (3,2 Мб)
Адрес для корреспонденции: † shishkin@ihim.uran.ru
Ключевые слова: термобарьерные покрытия, диоксид циркония, теплопроводность, высокоэнтропийные оксиды
PACS: 65.40.−b
DOI: 10.3367/UFNr.2024.07.039716
URL: https://ufn.ru/ru/articles/2025/3/b/
Цитата: Шишкин Р А "Современные и перспективные материалы для термобарьерных покрытий" УФН 195 245–259 (2025)
BibTexBibNote ® (generic)BibNote ® (RIS)MedlineRefWorks

Поступила: 27 декабря 2023, доработана: 5 июля 2024, 8 июля 2024

English citation: Shishkin R A “State-of-the-art and prospective materials for thermal barrier coatings” Phys. Usp. 68 (3) (2025); DOI: 10.3367/UFNe.2024.07.039716

Список литературы (151) ↓ Похожие статьи (17)

  1. Алексашина А А, Подгорный А В Наукосфера (5(2)) 32 (2022)
  2. Черезов А В, Грабчак Е П Надежность и безопасность энергетики 10 92 (2017)
  3. ГОСТ 5632-2014. Межгосударственный стандарт. Нержавеющие стали и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки. Измененная редакция. Изменение №1, с Поправкой, https://docs.cntd.ru/document/1200113778?ysclid=lpqk1nlo9p576066714, accessed December 4, 2023
  4. Xiang H et al J. Adv. Ceram. 10 385 (2021)
  5. Liu B et al J. Mater. Sci. Technol. 35 833 (2019)
  6. Padture N P, Gell M, Jordan E H Science 296 280 (2002)
  7. Guy O et al "Rapid Nanomechanical Property Mapping of Thermal Barrier Coatings" (2022) https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=6229, accessed December 26, 2023
  8. Vaßen R et al Surf. Coat. Technol. 205 938 (2010)
  9. Бунькова О И, Богатова Т Ф "Влияние впрыска пара в газовую турбину на эффективность цикла" Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Атомная энергетика (Под ред. В Ю Балдина, Г И Никитиной, И С Селезневой) (Екатеринбург: УрФУ, 2018) с. 794-797
  10. Yuan J et al J. Alloys Compd. 740 519 (2018)
  11. Zhang J et al Surf. Coat. Technol. 323 18 (2017)
  12. Ozgurluk Y et al Surf. Coat. Technol. 411 126969 (2021)
  13. Yang P et al Ceram. Int. 46 21367 (2020)
  14. Dudnik E V et al Powder Metallurgy Metal Ceram. 59 179 (2020)
  15. Chen D et al J. Therm. Spray Technol. 32 1327 (2023)
  16. Fan W et al J. Eur. Ceram. Soc. 38 4502 (2018)
  17. Xue Z et al J. Mater. Res. Technol. 26 7237 (2023)
  18. Boissonnet G et al Surf. Coat. Technol. 389 125566 (2020)
  19. Keyvani A et al J. Asian Ceram. Soc. 8 336 (2020)
  20. Zhao P et al Ceram. Int. 49 19402 (2023)
  21. Thakare J G et al Met. Mater. Int. 27 1947 (2021)
  22. Chellaganesh D, Khan M A, Jappes J T W Mater. Today Proc. 45 1529 (2021)
  23. Sharma P, Dwivedi V K, Kumar D Advances in Fluid and Thermal Engineering. Select Proc. of FLAME 2020 (Lecture Notes in Mechanical Engineering, Eds B S Sikarwar, B Sundén, Q Wang) (Singapore: Springer, 2021) p. 77
  24. Uchida N Int. J. Engine Res. 23 3 (2020)
  25. Yuan J et al Ceram. Int. 47 14515 (2021)
  26. Zhang H et al Ceram. Int. 46 18114 (2020)
  27. Li F et al J. Adv. Ceram. 8 576 (2019)
  28. Zhou L et al J. Eur. Ceram. Soc. 40 5731 (2020)
  29. Sun M et al Ceram. Int. 45 12101 (2019)
  30. Zheng Q et al J. Alloys Compd. 855 157408 (2021)
  31. Che J e al. Ceram. Int. 47 6996 (2021)
  32. Ma W et al J. Alloys Compd. 660 85 (2016)
  33. Ren K et al J. Eur. Ceram. Soc. 41 1720 (2021)
  34. Parchovianská I et al Materials 15 4007 (2022)
  35. Praveen K et al Corros. Sci. 195 109948 (2022)
  36. Zhong X et al J. Mater. Sci. Technol. 85 141 (2021)
  37. Ok K M et al J. Eur. Ceram. Soc. 37 281 (2017)
  38. Dharuman N et al Bull. Mater. Sci. 44 8 (2021)
  39. Liu Y et al Mater. Res. Lett. 7 145 (2019)
  40. Ma W et al J. Therm. Spray Technol. 17 831 (2008)
  41. Ma W et al J. Am. Ceram. Soc. 91 2630 (2008)
  42. Xiaoge C et al Ceram. Int. 46 14273 (2020)
  43. Liu Y et al J. Am. Ceram. Soc. 101 3527 (2018)
  44. Yamanaka S et al J. Am. Ceram. Soc. 88 1496 (2005)
  45. Yamanaka S et al J. Nucl. Mater. 344 61 (2005)
  46. Liu Y et al Ceram. Int. 44 16475 (2018)
  47. Carlsson L Acta Cryst. 23 901 (1967)
  48. Ahtee M, Glazer A M, Hewat A W Acta Cryst. B 34 752 (1978)
  49. Yamanaka S et al J. Alloys Compd. 352 52 (2003)
  50. Shishkin R A et al Ceram. Int. 48 27003 (2022)
  51. Li C et al Ceram. Int. 44 18213 (2018)
  52. Li C et al Ceram. Int. 45 21467 (2019)
  53. Yu Y et al Ceram. Int. 49 25875 (2023)
  54. Ren K et al Scr. Mater. 178 382 (2020)
  55. Liu D et al J. Adv. Ceram. 11 961 (2022)
  56. Zhu S et al J. Am. Ceram. Soc. 106 6279 (2023)
  57. Guo Y et al J. Eur. Ceram. Soc. 42 6614 (2022)
  58. Zhang Z et al J. Mater. Res. Technol. 26 4179 (2023)
  59. Matovic B et al Ceram. Int. 44 16972 (2018)
  60. Yang P et al Ceram. Int. 46 21367 (2020)
  61. Vassen R et al J. Am. Ceram. Soc. 83 2023 (2000)
  62. Shishkin R A Ceram. Int. 49 31539 (2023)
  63. Marrero-López D et al J. Alloys Compd. 422 249 (2006)
  64. Sun Z et al J. Eur. Ceram. Soc. 28 2895 (2008)
  65. Sun Z, Li M, Zhou Y J. Eur. Ceram. Soc. 29 551 (2009)
  66. Sun Z et al J. Am. Ceram. Soc. 90 2535 (2007)
  67. Sun Z et al J. Am. Ceram. Soc. 91 2623 (2008)
  68. Jiang B et al Mater. Res. Bull. 45 1506 (2010)
  69. Xu Q-L et al Surf. Coat. Technol. 398 126093 (2020)
  70. Jadhav M et al J. Alloys Compd. 783 662 (2019)
  71. Shahbazi H et al J. Therm. Spray Technol. 33 430 (2024)
  72. Wellman R G, Deakin M J, Nicholls J R Wear 258 349 (2005)
  73. Dong H et al Surf. Coat. Technol. 467 129694 (2023)
  74. Raza A et al Materials 15 6329 (2022)
  75. Chen D J. Therm. Spray Technol. 31 429 (2022)
  76. Chevallier J et al Emergent Mater. 4 1499 (2021)
  77. Pakseresht A H et al Mater. Chem. Phys. 173 395 (2016)
  78. Shi J et al Chem. Eng. J. 412 128613 (2021)
  79. Getto E et al Heliyon 9 e16583 (2023)
  80. Sehhat M H, Chandler J, Yates Z Int. J. Refract. Metals Hard Mater. 103 105764 (2022)
  81. Lashmi P G et al J. Eur. Ceram. Soc. 40 2731 (2020)
  82. Mittal G, Paul S J. Therm. Spray Technol. 31 1443 (2022)
  83. Pawlowski L Surf. Coat. Technol. 203 2807 (2009)
  84. Ganvir A et al J. Eur. Ceram. Soc. 39 470 (2019)
  85. Jordan E H et al J. Therm. Spray Technol. 13 57 (2004)
  86. Ma K, Tang X, Schoenung J M J. Wuhan Univ. Technol. Mater. Sci. Ed. 31 35 (2016)
  87. Bons J P J. Turbomach. 132 021004 (2010)
  88. Pu J "Experimental simulations of effects of surface roughness level of TBC on overall effectiveness of film cooling model" SSRN (2022)
  89. Rajasekaran B, Mauer G, Vaßen R J. Therm. Spray Technol. 20 1209 (2011)
  90. Sivakumar R, Mordike B L Surf. Eng. 4 127 (1988)
  91. Leyens C et al Surf. Coat. Technol. 120-121 68 (1999)
  92. Nicholls J R et al Surf. Coat. Technol. 151-152 383 (2002)
  93. Sidhu T S, Prakash S, Agrawal R D Marine Technol. Soc. J. 39 (2) 53 (2005)
  94. Mahade S et al Coatings 11 86 (2021)
  95. Liu L et al Phys. Procedia 18 206 (2011)
  96. Kulkarni A et al Mater. Sci. Eng. A 359 100 (2003)
  97. Luo J, Stevens R Ceram. Int. 25 281 (1999)
  98. Movchan B A, Lemkey F D Surf. Coat. Technol. 165 90 (2003)
  99. Lima R S J. Therm. Spray Technol. 31 396 (2022)
  100. Bernard B et al Surf. Coat. Technol. 318 122 (2017)
  101. Dobbins T A, Knight R, Mayo M J J. Therm. Spray Technol. 12 214 (2003)
  102. Zotov N et al Surf. Coat. Technol. 205 452 (2010)
  103. Rätzer-Scheibe H-J, Schulz U, Krell T Surf. Coat. Technol. 200 5636 (2006)
  104. Li H et al Surf. Coat. Technol. 182 227 (2004)
  105. Urbina M et al Manufacturing Rev. 5 9 (2018)
  106. Owoseni T A "Development of nanostructured ceramic coatings from suspension and solution precursor thermal spraying process" PhD Thesis (Nottingham: Univ. Nottingham, 2021)
  107. Akrami S et al Mater. Sci. Eng. R 146 100644 (2021)
  108. Banerjee R et al ACS Sustainable Chem. Eng. 8 17022 (2020)
  109. Wright A J, Luo J J. Mater. Sci. 55 9812 (2020)
  110. Zhang P et al J. Alloys Compd. 898 162858 (2022)
  111. Spiridigliozzi L et al Acta Mater. 202 181 (2021)
  112. Hutterer P, Lepple M J. Am. Ceram. Soc. 106 1547 (2023)
  113. Yang H et al Ceram. Int. 48 6956 (2022)
  114. Rost C M et al Nat. Commun. 6 8485 (2015)
  115. Oses C, Toher C, Curtarolo S Nat. Rev. Mater. 5 295 (2020)
  116. Harrington T J et al Acta Mater. 166 271 (2019)
  117. Gild J et al J. Eur. Ceram. Soc. 38 3578 (2018)
  118. Zhang Y et al Scr. Mater. 164 135 (2019)
  119. Zhou L et al J. Eur. Ceram. Soc. 40 5731 (2020)
  120. Zhao Z et al J. Adv. Ceram. 9 303 (2020)
  121. Zhang D et al Ceram. Int. 50 2490 (2024)
  122. Lu Y et al Crystals 13 445 (2023)
  123. Zhang S et al Ceram. Int. 50 4573 (2024)
  124. Biesuz M et al J. Asian Ceram. Soc. 7 127 (2019)
  125. Ren K et al Scr. Mater. 178 382 (2020)
  126. Cong L et al J. Mater. Sci. Technol. 101 199 (2022)
  127. Wright A J et al J. Eur. Ceram. Soc. 40 2120 (2020)
  128. Deng S et al J. Mater. Sci. Technol. 107 259 (2022)
  129. Zhao Z et al J. Mater. Sci. Technol. 35 2647 (2019)
  130. Vayer F et al J. Alloys Compd. 883 160773 (2021)
  131. Yang H et al Ceram. Int. 48 6956 (2022)
  132. Cong L et al J. Mater. Sci. Technol. 101 199 (2022)
  133. Lilin L et al Ceram. Int. 48 14980 (2022)
  134. Tang A et al Ceram. Int. 48 5574 (2022)
  135. Haoming Z et al Ceram. Int. 48 8380 (2022)
  136. Zhang H et al Ceram. Int. 48 1512 (2022)
  137. Liu K et al Mater. Sci. Eng. A 625 177 (2015)
  138. Zhang D et al Ceram. Int. 48 1349 (2022)
  139. Yao Y, Yang F, Zhao X J. Am. Ceram. Soc. 105 35 (2021)
  140. Liew S L et al J. Alloys Compd. 904 164097 (2022)
  141. Zhang F et al J. Mater. Sci. Technol. 105 122 (2022)
  142. Sun G, Wang W, Sun X Ceram. Int. 48 8589 (2022)
  143. Li C et al Ceram. Int. 48 11124 (2022)
  144. Jiang S et al Scr. Mater. 142 116 (2018)
  145. Yu P et al Ceram. Int. 48 15992 (2022)
  146. Zhou S et al Chem. Eng. J. 427 131684 (2022)
  147. Lou Z et al J. Eur. Ceram. Soc. 42 3480 (2022)
  148. Zhan H et al Int. J. Appl. Ceram. Technol. 20 1764 (2022)
  149. Zhang P et al J. Mater. Sci. Technol. 97 182 (2022)
  150. Sharma Y et al Phys. Rev. Materials 2 060404 (2018)
  151. Tang L et al J. Am. Ceram. Soc. 104 1953 (2021)
© Успехи физических наук, 1918–2025
Электронная почта: ufn@ufn.ru Телефоны и адреса редакции О журнале Пользовательское соглашение