Skoltech-forskare har identifierat lovande keramiska material för metallbeläggningar som skulle öka gasturbinernas effektivitet. Om ytterligare experimentella tester visar sig vara framgångsrika kommer beläggningarna att göra det möjligt för kraftverk att producera mer el och jetplan att förbruka mindre bränsle. Med materialupptäcktstekniken beprövad avser forskarna att fortsätta sökandet och hitta fler kandidater med kanske ännu bättre egenskaper. Studien publiceras i Physical Review Materials .

Termiska barriärbeläggningar används för att skydda turbinbladen vid kraftverk och i jetmotorer. Själva bladen är gjorda av nickelbaserade superlegeringar. Dessa erbjuder en fantastisk kombination av hög temperaturstyrka, seghet och motståndskraft mot nedbrytning. Men när saker och ting blir riktigt varma, mjuknar superlegeringen och kan till och med smälta. Skyddsbeläggningar gör det möjligt att driva turbiner vid högre temperaturer utan att kompromissa med deras integritet. Och i det här fallet betyder högre temperatur högre effektivitet.

"Termiska barriärbeläggningar är numera gjorda av yttriumoxidstabiliserad zirkoniumoxid, men om ett material med bättre egenskaper användes istället skulle det tillåta dig att få ut mer användbar kraft ur turbinen", säger studiens medförfattare, professor Artem R. Oganov. som leder Material Discovery Laboratory på Skoltech.

"För att hitta sådana material måste du först komma med kandidater vars egenskaper du förutsäger beräkningsmässigt. Vi har testat en rad metoder och bestämt de bästa av dem för att beräkna relevanta materialegenskaper, särskilt värmeledningsförmåga. I uppsatsen listar vi några lovande kandidater, men vi kommer att fortsätta leta."

Ett material för termiska barriärbeläggningar måste uppfylla flera krav. Den måste ha en mycket hög smältpunkt och en mycket låg värmeledningsförmåga. Den senare egenskapen är särskilt svår att beräkna eftersom den beror på de invecklade "anharmoniska" effekterna i kristaller. Vid uppvärmning bör materialet dessutom expandera med ungefär samma hastighet som superlegeringen, annars kommer det att flaga av ytan.

Materialet ska inte genomgå några fasövergångar mellan rumstemperatur och turbinens drifttemperatur, vilket skulle få beläggningen att spricka. Det ska också motstå effekterna av dammpartiklar och syre vid höga temperaturer och förhindra syrejoner från att nå den underliggande metallen och oxidera den.

"Medan vi beräknade de andra egenskaperna, är kärnan i problemet att förutsäga värmeledningsförmåga", säger studiens medförfattare, Skoltech Ph.D. elev Majid Zerati. "Vi visade att sådana förutsägelser är beräkningsmässigt genomförbara och någorlunda exakta med homogena simuleringar av molekylär dynamik som inte är jämvikt. Detta visar sig vara något oväntat, eftersom sådana simuleringar involverar en enorm mängd beräkningar och omfattande statistik, vilket resulterar i hög beräkningskomplexitet.

"Icke desto mindre lyckades vi förenkla metoden genom att komplettera den med maskininlärningspotentialer:Det vill säga, interaktionerna mellan atomerna förutspåddes med hjälp av artificiell intelligens, snarare än att vara direkt beräknade."

Skoltech-studien lyfter redan fram ett antal material som lovar att överträffa den nuvarande mästaren, yttria-stabiliserad zirconia, den nuvarande mästaren. Bland dem finns yttriumniobat (Y₃ NbO₇ ), perovskitstrukturerna BaLaMgTaO₆ och BaLaMgNbO₆ och ytterligare sju material. Som sagt, teamet planerar att fortsätta sin beräkningssökning för att identifiera möjliga backupalternativ och de potentiellt bättre kandidaterna som fortfarande finns där ute.

Mer information: Majid Zeraati et al, Söker efter material med låg värmeledningsförmåga för värmebarriärbeläggningar:en teoretisk metod, Fysiska granskningsmaterial (2024). DOI:10.1103/PhysRevMaterials.8.033601

Tillhandahålls av Skolkovo Institute of Science and Technology