Oxidationsprocesserna i ytterbiumsilicid beror i hög grad på mängden luft i miljön, vilket framgår av svepelektronmikroskopibilder och röntgendiffraktionstoppar. Kredit:Ryo Inoue från Tokyo University of Science
Vissa delar av flyggasturbinmotorer, som används i stor utsträckning i flygplan, når regelbundet temperaturer över 1, 200°C. Naturligtvis, alla material som används i så tuffa miljöer måste vara hållbara och klara uppgiften. Keramiska matriskompositer gjorda av kiselkarbid (SiC) har nyligen väckt intresse som lovande kandidater för gasturbinmotorer. Dock, dessa material kräver ett värmebeständigt beläggningsskikt för att förhindra oxidation av SiC och efterföljande avdunstning av SiO 2 , vilket är en process som leder till en minskning av materialvolymen och, därför, strukturella defekter som stora sprickor eller att det översta lagret flagnar av.
Tyvärr, existerande beläggningsskikt kan inte helt förhindra denna oxidation till SiO 2 eftersom syre kan tränga in genom mikroskopiska sprickor i dessa lager eller genom enkel diffusion.
För att lösa detta problem, vissa forskare har fokuserat på att använda ytterbiumsilicid (Yb-Si) som beläggningsmaterial eftersom Yb-Si kan nå höga smältpunkter och deras oxider är huvudsakligen Yb-silikater, som förblir fästa som ett oxidskikt och inte lätt avdunstar. Dock, inte mycket är känt om de grundläggande fenomen som äger rum i dessa material vid höga temperaturer i vare sig luft eller vattenånga miljöer.
I en ny studie publicerad i Intermetallics , ett team av forskare – inklusive juniordocent Ryo Inoue, Biträdande professor Yutaro Arai och professor Yasuo Kogo från Tokyo University of Science, och seniorforskare Takuya Aoki från Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) – för att förstå oxidationsmekanismerna i Yb-Si. De genomförde en mängd olika experiment för att få insikt i oxidationsbeteendet (och nedbrytningen) av olika Yb-Si-beläggningar vid höga temperaturer under tre typer av atmosfärer:luft, vattenånga, och en blandning av båda.
Att hitta säkert och långvarigt värmebeständigt material för högtemperaturdelarna i flygplans gasturbinmotorer är nyckeln till att bygga bättre flygplan. Upphovsman:Robert Bye på Unsplash
Genom röntgendiffraktionsanalys, energidispersiv spektroskopi, och svepelektronmikroskopi, forskarna kunde noggrant visualisera och kvantifiera morfologin och sammansättningen av Yb-Si-proverna före och efter värmeexponeringstesterna. Ett av huvudfynden var att förhållandet Yb till Si var en viktig aktör för att definiera oxidationsbeteendet hos materialet; Yb 5 Si3 oxiderade mer än Yb 3 Si 5 på grund av den föredragna oxidationen av Yb i silicid. Dessutom, mängden oxid minskade avsevärt i mer vattenångrika atmosfärer.
Viktigast, forskarna undersökte mekanismerna genom vilka ytterbiumhalten kan påverka bildandet av SiO 2 . "Efter värmeexponering av båda siliciderna i ånga, vi hittade SiO 2 i Yb 5 Si 3 , medan Si faktiskt fortfarande var närvarande i Yb 3 Si 5 , "säger Dr. Inoue, som ledde studien. "Våra analyser tyder på att SiO 2 tillväxten undertrycks i Yb 3 Si 5 eftersom SiO 2 tar del av, och är den begränsande faktorn för, reaktioner som bildar Yb-silikater, " tillägger han. Även om de exakta mellanreaktionerna som leder till bildandet av de olika Yb-silikaten inte är helt klarlagda ännu, teamet presenterade två mycket möjliga reaktionsvägar. Detta kommer sannolikt att klargöras genom framtida studier med ännu mer detaljerade karakteriseringstekniker.
Övergripande, denna studie ger meningsfull inblick i vad som händer under oxidationen av Yb-Si, vilket kommer att hjälpa till vid utvecklingen av skyddande beläggningar för flyggas-turbinmotorer. "Om en beläggning som tål tuffare miljöer kan realiseras, motordelar blir mer värmebeständiga, vilket naturligtvis leder till högre motoreffektivitet, " anmärker Dr. Inoue.
Förhoppningsvis, ytterligare framsteg inom beläggningsteknik kommer att minska flygtransportkostnader och bränsleförbrukning, gör flyget billigare och mindre skadligt för miljön.
