Oxidation i nyt coatingmateriale til flygasturbinemotorer

Visse sektioner af aero-gasturbinemotorer, som er meget udbredt i fly, når jævnligt temperaturer over 1, 200 °C. Det er overflødigt at sige, ethvert materiale, der anvendes i sådanne barske miljøer, skal være holdbare og klare opgaven. Keramiske matrixkompositter lavet af siliciumcarbid (SiC) har for nylig høstet interesse som lovende kandidater til gasturbinemotorer. Imidlertid, disse materialer kræver et varmebestandigt belægningslag for at forhindre oxidation af SiC og efterfølgende fordampning af SiO ₂ , hvilket er en proces, der fører til et fald i materialevolumen og, derfor, strukturelle defekter såsom store revner eller det øverste lag, der flager af.

Desværre, eksisterende belægningslag kan ikke helt forhindre denne oxidation til SiO ₂ fordi ilt kan trænge igennem mikroskopiske revner i disse lag eller ved simpel diffusion.

For at løse dette problem, nogle videnskabsmænd har fokuseret på at bruge ytterbiumsilicid (Yb-Si) som et belægningsmateriale, fordi Yb-Si kan nå høje smeltepunkter, og deres oxider hovedsageligt er Yb-silicater, som forbliver fastgjort som et oxidlag og ikke let fordamper. Imidlertid, man ved ikke meget om de grundlæggende fænomener, der finder sted i disse materialer ved høje temperaturer i hverken luft- eller vanddampmiljøer.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Intermetallics , et team af videnskabsmænd – inklusive juniorlektor Ryo Inoue, Adjunkt Yutaro Arai og professor Yasuo Kogo fra Tokyo University of Science, og seniorforsker Takuya Aoki fra Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) - satte sig for at forstå oxidationsmekanismerne i Yb-Si. De udførte en række eksperimenter for at få indsigt i oxidationsadfærd (og nedbrydning) af forskellige Yb-Si-belægninger ved høje temperaturer under tre typer atmosfærer:luft, vanddamp, og en blanding af begge.

Gennem røntgendiffraktionsanalyse, energidispersiv spektroskopi, og scanning elektronmikroskopi, forskerne var i stand til nøjagtigt at visualisere og kvantificere morfologien og sammensætningen af ​​Yb-Si prøverne før og efter varmeeksponeringstesten. Et af hovedfundene var, at Yb til Si-forholdet var en vigtig aktør i definitionen af ​​materialets oxidationsadfærd; Yb ₅ Si3 oxiderede mere end Yb ₃ Si ₅ på grund af den foretrukne oxidation af Yb i silicid. I øvrigt, mængden af ​​oxid faldt betydeligt i mere vanddamprige atmosfærer.

Mest vigtigt, forskerne undersøgte mekanismerne, hvorved indholdet af ytterbium kan påvirke dannelsen af ​​SiO ₂ . "Efter varmeeksponering af begge silicider i damp, vi fandt SiO ₂ i Yb ₅ Si ₃ , hvorimod Si faktisk stadig var til stede i Yb ₃ Si ₅ , " bemærker Dr. Inoue, der ledede undersøgelsen. "Vores analyser tyder på, at SiO ₂ vækst undertrykkes i Yb ₃ Si ₅ fordi SiO ₂ tager del i, og er den begrænsende faktor for, reaktioner, der danner Yb-silicater, " tilføjer han. Selvom de nøjagtige mellemreaktioner, der fører til dannelsen af ​​de forskellige Yb-silicater, ikke er fuldstændigt forstået endnu, holdet præsenterede to meget mulige reaktionsveje. Dette vil sandsynligvis blive afklaret gennem fremtidige undersøgelser med endnu mere detaljerede karakteriseringsteknikker.

Samlet set, denne undersøgelse giver meningsfuld indsigt i, hvad der sker under oxidationen af ​​Yb-Si, som vil hjælpe med udviklingen af ​​beskyttende belægninger til aero-gasturbinemotorer. "Hvis der kan realiseres en belægning, der kan modstå hårdere miljøer, motordele bliver mere varmebestandige, hvilket naturligvis fører til højere motoreffektivitet, " bemærker Dr. Inoue.

Forhåbentlig, yderligere fremskridt inden for belægningsteknologi vil reducere lufttransportomkostninger og brændstofforbrug, gør flyvning billigere og mindre skadelig for miljøet.