飛機制造商和他們的顧客在政府和行業投資新飛機引擎的設計函數在極高的溫度,這意味著發動機燃燒更少的燃料時能產生更多的能量。 然而,高溫可能是一個問題的材料用于制造發動機。
海頓Wadley,埃德加斯達克的材料科學與工程教授弗吉尼亞大學工程與應用科學學院和珀斯Deijkers Wadley集團博士后研究助理,找到一種方法,大大延長的生命在這些噴氣發動機使用的材料。 他們的論文,“雙黏合層環境障礙涂層系統方法,”發表在2021年9月發行的Acta Materialia．
“噴氣發動機吞大量的空氣,,當壓縮和與烴類燃料混合燃燒,燃燒室,權力飛機的推進系統。 發動機燃燒室的溫度越高,效率越高,”Wadley說?，F在在飛機引擎燃燒達到或超過1500攝氏度,遠遠高于融化溫度的發動機部件通常由鎳和鈷合金。 研究了陶瓷能夠承受這些溫度,但是他們必須面對水蒸氣和未燃盡的氧氣的化學反應燃燒的極端環境。
碳化硅陶瓷的選擇。 然而,發動機部件由碳化硅將持續只有幾千小時的飛行時間。 在如此高的溫度下,碳元素與氧反應生成一氧化碳(氣體),而硅形成二氧化硅(固體),但硅與水蒸氣反應生成氣態氫氧化硅。 換句話說,引擎部分逐步轉化為天然氣和消失排氣尾管。
保護陶瓷零件,發動機制造商應用兩層涂料,被稱為環境壁壘涂層系統,碳化硅。 外層旨在緩慢擴散的氧氣和水蒸氣對碳化硅在飛行,而內部黏合層制成的硅保護的碳化硅表面與氧氣反應生成一層薄的硅。 但這種設計仍然存在挑戰。“生命的引擎組件的時間通常是由二氧化硅層厚度達到一個臨界點,擴張和收縮引起的應力在反復加熱和冷卻導致涂層的流行,“Wadley說。
科學家和工程師有兩種基本策略推遲涂層的分離和擴展生活昂貴的引擎組件。 他們可以使外層涂料層很厚減緩黏合層氧氣的到來,但這增加了重量和成本。 或者,他們可以創建一個不同的氧化防護,一個不“流行了。”
Deijkers Wadley追求第二戰略。
他們的解決方案使用鐿的外層二矽酸鹽、稀土元素,硅和碳化硅的熱膨脹特性和運輸是緩慢的氧氣和水蒸氣對硅層。 他們首先沉積硅黏合層,然后放置一層薄薄的氧化鉿硅和鐿二矽酸鹽外層。他們的實驗研究表明,當二氧化硅形成的硅,它立即與二氧化鉿的反應生成氧化silicon-hafnium或hafnon。 hafnon的熱膨脹和收縮是一樣的其余的涂層,不會導致涂層流行或裂紋。 Wadley稱之為加一點“二氧化鉿仙塵。”
“當我們沉積一層很薄的二氧化鉿的硅,緊隨其后的是一層二矽酸鹽,鐿的氧氣穿過二矽酸鹽鐿創建一個化學反應與底層材料形成hafnon”Deijkers說。Deijkers”進入Wadley獨特的設備的實驗室,特別是直接氣相沉積系統,啟用這個突破環境壁壘涂料。 沉積一層二矽酸鹽鐿的能力比人類頭發直徑的薄是他們成功的關鍵。
導演氣相沉積過程使用一個強大的10千瓦的聚焦電子束融化材料低壓室。 超音速氣體射流傳輸silicon-coated碳化硅的蒸汽凝結,形成薄膜。 然后使用等離子噴涂方法存款最終鐿二矽酸鹽層,然后涂組件是準備測試。Deijkers成功地維護了他的論文在2020年10月,結合他的興趣在飛機和高溫材料博士學位研究和遵循他父親的路徑為材料科學與工程。
“我爸爸從事疏浚船舶使用。 看到泵房發光orange-white爐,我抓住了工程缺陷,”Deijkers說。Deijkers,來自荷蘭的這些早期記憶與他興趣在荷蘭空軍服役,獲得學士和碩士學位從代爾夫特科技大學的航空航天工程。
當Deijkers開始申請博士項目在美國,他的碩士論文熱障涂層捕獲Wadley的注意。 Deijkers的到達時間。 小組成員布拉德·理查茲,他贏得了UVA材料科學與工程博士學位,2015年開發了silicon-ytterbium二矽酸鹽陶瓷涂層系統,后來發現是非常相似,被飛機引擎的創造者。Deijkers論文提高理查茲的涂料體系,深化理解涉及的表面化學和增加商業采用的涂層系統的可行性。
“一組問題駕駛我的研究集中在需要多長時間通過氧化hafnon形成過程中,“Deijkers說。 “我想理解這個過程真的是如何工作的,以及是否我們可以使用它了。“這涂層比我們想象的更大的潛力; 我們需要開發它,把它放進一個實際的引擎,它沿著路徑走向商業化。”
“與最先進的工業相比,我們的研究是一個重大的改進,”Deijkers說。 “我粗略的估計,如果工業制造商能夠實現這些新加工技術,他們可以延長發動機部件的壽命高達200次。 但是有很多障礙要跨越這一水平的性能。”Wadley的研究小組讓這些進步與美國海軍研究辦公室的支持,授予Wadley的團隊連續兩個贈款在一段六年。
“我們要解決的問題是多學科和多,“Wadley說。 “我們需要從力學知識融合在一起,化學和材料科學為了取得進展。 除了迫在眉睫的需要減少有限公司2發出的推進技術,我們的研究支持全球從含碳碳氫化合物轉移到氫燃料和空氣的最終電氣化旅游平臺。”而Deijkers希望吸引私營企業團隊的涂料體系和沉積過程,他的事業心是追求科學發現在國家實驗室或在學術界。
“國家急需人才在這個舞臺上,“Wadley說。 “我們急需明亮、有創意的人想被訓練來解決這些問題對社會前進。”正如Deijkers繼續理查茲的研究,他鼓勵UVA工程本科生參與跨學科研究正在Wadley集團。“我們大學生從航空航天工程、物理、系統工程、“Deijkers說。 “我們正在很多不同方面的問題——計算機建模、材料合成、形變場生活設計。 我們總是為本科生做的事情,我們總是開放和我們做研究。”