Современные и перспективные материалы для термобарьерных покрытий

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 используется диоксид циркония, стабилизированный иттрием, ввиду совокупности своих физико-химических свойств, таких как невысокая теплопроводность, умеренный коэффициент термического расширения, высокая термическая стойкость и твердость. Однако, наличие фазового перехода, который имеет место в стабилизированном оксидом иттрия диоксиде циркония (YSZ) при эксплуатационных температурах делает невозможным дальнейшее повышение рабочих температур газотурбинных двигателей. Для решения возникшей проблемы используются 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 (SrCeO$_3$), пирохлоры (La$_2$Zr$_2$O$_7$, флюориты (La$_2$Ce$_2$O$_7$) 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.