von KeAi Communications Co.
Die Hot-End-Komponenten von Hochleistungs-Hochgeschwindigkeitsflugzeugen müssen Leistungsanforderungen wie lange Lebensdauer, Oxidationsbeständigkeit über einen weiten Temperaturbereich und Ablationsbeständigkeit erfüllen. Dies stellt höhere Anforderungen an die Hochtemperatur-Betriebsleistung des Wärmeschutzsystems (TPS).
Aufgrund ihrer geringen Dichte, geringen Ausdehnung und hervorragenden mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen gelten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe (C/C) als die beste Wahl für die neue TPS-Generation. Die Oxidationsempfindlichkeit von C/C-Verbundwerkstoffen begrenzt ihre Lebensdauer in Hochtemperatur-Ablationsumgebungen jedoch erheblich. Die Beschichtungstechnologie ist wirksam, um die Ablationsbeständigkeit von C/C-Verbundwerkstoffen zu verbessern. Hochentropische Karbidbeschichtungen mit hohen Schmelzpunkten und hervorragender Ablationsbeständigkeit sind in den Fokus der Forscher gerückt.
Traditionell beginnt das Design von Hartmetallbeschichtungen typischerweise mit der direkten Manipulation von Hartmetallelementen, wobei die Hartmetallbestandteile passiv Oxidkomponenten erzeugen sollen. Diese Vorwärtsdesignmethode vernachlässigt die Einbeziehung einer direkten Zusammensetzungsstrategie für die Oxidschicht, die eine entscheidende Rolle bei der Hochtemperaturleistung von Hartmetallkeramikbeschichtungen spielt.
Eine stabile Oxidschicht auf der Oberfläche ist der Schlüssel zur Gewährleistung der langfristigen Ablation von Hochentropiekeramiken, da sie als Barriere zwischen Sauerstoff und der nicht oxidierten Hochentropiekeramik fungiert. Wird die Zusammensetzung der Oxidschicht vernachlässigt, wird die Lebensdauer von Hochentropiekarbiden bei hohen Temperaturen begrenzt.
In einer Studie veröffentlicht In Fortschrittliche PulvermaterialienEin Forscherteam der Northwestern Polytechnical University in Xi’an, China, schlägt das Konzept des inversen Designs vor, um eine solche Einschränkung bei hochentropischen Carbiden zu überwinden.
„Zuerst wird die Zusammensetzung der hochentropischen Oxidschicht mit ausgezeichneter thermischer Stabilität entwickelt. Dann werden die hochentropischen Carbide umgekehrt entwickelt, wodurch sich die entwickelte hochentropische Oxidschicht während des Ablationsprozesses an Ort und Stelle auf ihrer Oberfläche bilden kann, wodurch ihre Ablationsbeständigkeit verbessert wird“, sagte Jia Sun, der leitende und korrespondierende Autor der Studie.
Die Forscher entwickelten (Hf0,36Zr0,24Ti0,1Sc0,1Y0,1La0,1)C1-δ (HEC)-Beschichtungen unter Verwendung der inversen theoretischen Methode und validierten diese durch Ablationsbeständigkeitsexperimente. Die lineare Ablationsrate der HEC-Beschichtungen wurde mit -1,45 μm/s gemessen, was nur 4,78 % der von ursprünglichen HfC-Beschichtungen nach Oxyacetylen-Ablation bei 4,18 MW/m2 entspricht und eine ausgezeichnete Ablationsbeständigkeit zeigt. HEC-Beschichtungen weisen außerdem eine höhere Zähigkeit auf, mit einem Pugh-Verhältnis von 1,55 im Vergleich zu HfC 1,30.
„Während der Ablation bildet sich vor Ort auf der Oberfläche eine dichte Oxidschicht (Hf0,36Zr0,24Ti0,1Sc0,1Y0,1La0,1)O2-δ, die aufgrund ihrer hohen Phasen- und Strukturanpassungsfähigkeit mit einer Gitterkonstantenänderung von höchstens 0,19 % bei 2.000–2.300 °C deutlich zur verbesserten Ablationsbeständigkeit beiträgt“, fügt Sun hinzu.
Mehr Informationen:
Lingxiang Guo et al., Theoretischer Entwurf und experimentelle Überprüfung einer hochentropischen, ablativen Karbid-Beschichtung, Fortschrittliche Pulvermaterialien (2024). DOI: 10.1016/j.apmate.2024.100213
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