Materiale og belægningsproces for at beskytte keramiske dele

Post-pandemiske ferierejser var blandt de største historier i sommeren 2021, rejser spørgsmål om flyrejsers bidrag til drivhusgasemissioner og klimaændringer. Ifølge Miljø- og Energistudieinstituttet, 710 millioner tons global kuldioxid kom fra kommerciel luftfart i 2013. I 2017 det tal nåede 860 millioner tons, en stigning på 21 % på fire år. Inden 2018, den steg til 905 millioner tons, 2,4 % af den samlede CO ₂ emissioner.

Flyproducenter og deres kunder i regeringen og industrien har investeret i design af nye flymotorer, der fungerer ved ekstremt høje temperaturer, hvilket betyder, at motorerne kan generere mere energi, mens de forbrænder mindre brændstof. Imidlertid, de meget høje temperaturer kan være et problem for de materialer, der bruges til at fremstille motoren.

Haydn Wadley, Edgar Starke professor i materialevidenskab og teknik ved University of Virginia School of Engineering and Applied Science, og Jeroen Deijkers, en postdoktoral forskningsmedarbejder i Wadleys gruppe, fundet en måde at forlænge levetiden af ​​de materialer, der bruges i disse jetmotorer. Deres papir, "En duplex bond coat tilgang til miljøbarrierebelægningssystemer, " er offentliggjort i september 2021-udgaven af ​​Acta Materialia.

"En jetmotor suger enorme mængder luft, hvilken, når det komprimeres og blandes med kulbrintebrændstof og brændes i et forbrændingskammer, driver flyets fremdriftssystem. Jo varmere brænderen er, jo mere effektiv motoren er, " sagde Wadley.

Forbrænding i flymotorer når eller overstiger nu 1500 grader celsius, et godt stykke over smeltetemperaturerne for motordele, der typisk er lavet af nikkel- og koboltlegeringer. Forskning har vendt sig mod keramik, der kan modstå disse temperaturer, men de må kæmpe med kemiske reaktioner fra vanddampen og uforbrændt ilt i det ekstreme forbrændingsmiljø.

Siliciumcarbid er den foretrukne keramik. Imidlertid, motordele lavet af siliciumcarbid ville kun holde et par tusinde timers flyvetid. Ved så høje temperaturer, kulstofelementet reagerer med ilt og danner kulilte (en gas), mens silicium danner silica (et fast stof), men silica reagerer med vanddamp og danner et gasformigt siliciumhydroxid. Med andre ord, motordelen bliver gradvist til gas og forsvinder ud af udgangsrøret.

For at beskytte de keramiske dele, motorfabrikanter anvender en to-lags belægning, kaldet et miljøbarrierebelægningssystem, til siliciumcarbiden. Det ydre lag er designet til at bremse spredningen af ​​ilt og vanddamp mod siliciumcarbidet under flyvning, mens en indre bindingscoating lavet af silicium beskytter siliciumcarbidets overflade ved at reagere med ilten og danne et tyndt lag silica. Men der er stadig udfordringer ved dette design.

"Motorkomponentens levetid er ofte dikteret af den tid, det tager for silicalagets tykkelse at nå et kritisk punkt, hvor spændingen forårsaget af ekspansion og sammentrækning under gentagen opvarmning og afkøling får belægningen til at springe af, " sagde Wadley.

Forskere og ingeniører har to grundlæggende strategier til at forsinke belægningens adskillelse og forlænge levetiden af ​​dyre motorkomponenter. De kan gøre det ydre belægningslag meget tykt for at bremse ankomsten af ​​ilt til bindingslaget, men det tilføjer vægt og omkostninger. Eller, de kan skabe en anden slags beskyttende oxid, en der ikke "popper af".

Deijkers og Wadley forfulgte den anden strategi.

Deres opløsning bruger et ydre lag af ytterbiumdisilikat, et sjældent jordelement, der deler siliciums og siliciumcarbids termiske ekspansionskarakteristika og er langsom til at transportere ilt og vanddamp mod siliciumlaget. De afsatte først siliciumbindingsbelægningen og placerede derefter et tyndt lag hafniumoxid mellem silicium og ytterbiumdisilikatets ydre lag.

Deres eksperimentelle undersøgelser viser, at når silicium dannes på silicium, det reagerer straks med hafnia og danner et silicium-hafniumoxid, eller hafnon. Hafnonens termiske ekspansion og sammentrækning er den samme som resten af ​​belægningen og vil aldrig få belægningen til at springe af eller revne. Wadley kalder det at tilføje lidt "hafnia fairy dust."

"Når vi afsætter et meget tyndt lag hafnia oven på silicium, efterfulgt af et lag ytterbiumdisilikat, ilten, der passerer gennem ytterbiumdisilicatet, skaber en kemisk reaktion med de underliggende materialer for at danne hafnonen, " sagde Deijkers.

Deijkers' adgang til unikt udstyr i Wadleys laboratorium, specifikt et rettet dampaflejringssystem, muliggjorde dette gennembrud inden for miljøbarrierebelægninger. Evnen til at afsætte en film af ytterbiumdisilikat, der er tyndere end diameteren af ​​et menneskehår, er nøglen til deres succes.

Den rettede dampaflejringsproces bruger en kraftig 10 kilowatt fokuseret elektronstråle til at smelte materiale i et lavtrykskammer. En supersonisk gasstråle transporterer dampen til det siliciumbelagte siliciumcarbid, hvor det kondenserer, skabe en tynd film. De bruger derefter en plasmaspraymetode til at afsætte det endelige ytterbiumdisilikatlag, og den coatede komponent er derefter klar til test.

Deijkers forsvarede sin afhandling med succes i oktober 2020, kombinerer sine interesser i fly og højtemperaturmaterialer til sin ph.d. forskning, og fulgte sin fars vej ind i materialevidenskab og teknik.

"Min far plejede at arbejde på uddybning af skibe. Da jeg så pumpehuset gløde orange-hvidt i ovnen, det var sådan jeg fangede ingeniørfejlen, " sagde Deijkers.

Deijkers, hvem er fra Holland, kombinerede disse tidlige minder med sin interesse for at tjene i det hollandske luftvåben, opnå en bachelor- og mastergrad i rumfartsteknik fra Delft University of Technology.

Da Deijkers begyndte at søge ph.d. programmer i USA, hans kandidatafhandling om termiske barrierebelægninger fangede Wadleys opmærksomhed. Deijkers' ankomst var godt timet. Gruppemedlem Brad Richards, der fik sin ph.d. i materialevidenskab og teknik fra UVA i 2015, havde udviklet silicium-ytterbiumdisilikatbelægningssystemet til keramik, der efterfølgende viste sig at ligne meget det, der blev brugt af producenterne af flymotorer.

Deijkers' afhandling forbedrer Richards' belægningssystem, uddybe forståelsen af ​​den involverede overfladekemi og øge coatingsystemets levedygtighed for kommerciel anvendelse.

"Et sæt spørgsmål, der driver min forskning, fokuserede på, hvor lang tid det tager for hafnonen at dannes gennem oxidationsprocessen, " sagde Deijkers. "Jeg ønskede at forstå, hvordan denne proces virkelig fungerer, og om vi rent faktisk kunne tage det i brug.

"Denne belægning har større potentiale, end vi troede; vi er nødt til at udvikle den og sætte den i en egentlig motor, at flytte det længere hen ad vejen mod kommercialisering."

Dagens metoder er forankret i deponeringsteknikker udviklet i 1970'erne.

"Sammenlignet med det nyeste inden for industrien, vores forskning gør en stor forbedring, " sagde Deijkers. "Mit grove skøn, hvis industrielle producenter var i stand til at implementere disse nyere forarbejdningsteknikker, de kunne forlænge motordelenes levetid med så meget som 200 gange. Men der er mange forhindringer at springe igennem for at opnå det præstationsniveau."

Wadleys forskningsgruppe gjorde disse fremskridt med støtte fra Office of Naval Research, som tildelte Wadleys team to på hinanden følgende bevillinger over en periode på seks år.

"De problemer, vi skal løse, er tværfaglige og multiinstitutionelle, " sagde Wadley. "Vi er nødt til at sammensmelte viden fra mekanik, kemi og materialevidenskab for at gøre fremskridt. Ud over det umiddelbare behov for at reducere CO ₂ udsendes af fremdriftsteknologi, vores forskning understøtter det globale skift fra kulstofholdige kulbrinter til brintbrændstoffer og den eventuelle elektrificering af flyrejseplatforme."

Mens Deijkers håber at tiltrække den private industri til teamets belægningssystem og deponeringsproces, hans karriereambition er at forfølge videnskabelige opdagelser på et nationalt laboratorium eller i den akademiske verden.

"Nationen har et presserende behov for talent på denne arena, " sagde Wadley. "Vi har et desperat behov for lys, kreative mennesker, der ønsker at blive uddannet til at løse den slags problemer for samfundet fremadrettet."

Ligesom Deijkers fortsatte Richards' forskning, han opfordrer UVA Engineering studerende til at deltage i den tværfaglige forskning, der er i gang i Wadleys gruppe.

"Vi havde studerende fra rumfartsteknik, fysik, systemteknik, " sagde Deijkers. "Vi arbejder på mange forskellige aspekter af problemet - computermodellering, materiale syntese, termomekanisk levetidsdesign. Vi har altid ting for bachelorer at lave, og vi er altid åbne for, at de kan lave research sammen med os."