Kilka słów o powłokach ochronnych w silnikach lotniczych

Ostatnio doszedłem do wniosku,że niniejszy blog trochę oddalił się od tematyki której był poświęcony i konieczne jest zrównoważenie bardziej informatycznej problematyki problematyką materiałową. Jak przypuszczam,ten bardzo powiązany z inżynierią materiałową temat będzie w sam raz.

Silniki lotnicze. Stosowane w myśliwcach i samolotach. Źródło zasilania dla maszyny i siły ciągu przy okazji też. Podstawowym problemem powiązanym ze spalaniem przez nie paliwa jest jednak temperatura. Działające w silniku siły w energię elektryczną przekształcają elementy takie jak turbina. Łopatki turbiny oraz dziesiątki innych elementów muszą skutecznie wytrzymać wysokie temperatury powstałe podczas spalania. Zastosowanie wysokotemperaturowych stopów i nadstopów/superstopów niklu,kobaltu itd – nawet monokrystalicznych – nie rozwiązuje jednak nadal tak do końca problemu.Temperatury rzędu 1100 stopni Celcjusza to granica pracy zaawansowanych nadstopów. Rozwiązania są dwa. Można stworzyć mechaniczne systemy chłodzenia – i ekspertami o tego byli lub nadal są Rosjanie. Można też pójść zachodnią drogą – i położyć nacisk na odpowiednie materiały lub powłoki.

Często tam,gdzie całościowa struktura nie jest potrzebna/opłacalna inżynieria materiałowa stawia na powłokę ochronną.

I tak jest też w tym przypadku.

Jeśli chodzi o powłoki ochronne stosowane dla nadstopów żarowytrzymałych można je podzielić (zgodnie z ich historią) na trzy kategorie:

  • Dyfuzyjne
  • Adhezyjno-dyfuzyjne
  • Bariery cieplne (TBC)

Jednak jeśli chodzi o powłoki stanowiące bariery cieplne,to ich rola jest inna niż powłok powyższych. Stanowią raczej – jak nazwa wskazuje – barierę dla ciepła. Dlatego też poprawniejsza klasyfikacja to:

  • Powłoki Żaroodporne (o spowolnionym utlenianiu/spowalniające utlenianie)
    • Dyfuzyjne
    • Adhezyjno-dyfuzyjne (MCrAlY)
  • Powłoki Barierowe (chroniące przed temperaturą i utlenianiem)
    • TBC

Powłoki dyfuzyjne oparte są o powstawanie związków międzymetalicznych. Najczęściej stosowane są powłoki na osnowie Aluminium zawierające związki Aluminium z Krzemem,Chromem,Platyną itd. – bądź ich związkami. Przy czym oczywiście (bo każdy,kto wie o temperaturze topnienia czystego aluminium wynoszącej 660 stopni Celcjusza miałby uzasadnione wątpliwości) najpierw wprowadza się „międzywarstwę” aluminium a dopiero na nią nakłada się warstwę wzbogaconą w związki.

Powłoki Adhezyjno-Dyfuzyjne określa się jako MCrAlY, gdzie M – oznacza metal,najczęściej metal z grupy VIII – żelazowców,zaś Y to pierwiastek: Itr. Do niewątpliwych zalet powłok adhezyjno-dyfuzyjnych należy ich większa niezależność od stopu bazowego na który są nakładane.
Powłoki McrAlY są stosowane jako międzywarstwa dla powłok barierowych TBC.

Jeśli chodzi o powłoki barierowe typu TBC klasycznym składem chemicznym jest 6-8% Y2O3 stabilizowane przez ZrO2. Ponadto w celu zredukowania naprężeń w takiej powłoce barierowej można zastosować międzywarstwę Al2O3 między warstwą wiążącą i górną – tworząc powłokę typu GTBC (powłoki stopniowane). Powłoki składające się z większej ilości warstw stosowane są w rozwiązaniach specjalistycznych,rozważa się też stosowanie nanotechnologii w celu ich ulepszania. Poważnym problemem związanym z powłokami TBC jest jednak m.in. przepuszczanie przez ZrO2 tlenu, co prowadzi do powstawania pod powłoką TBC warstwy, znanej w literaturze jako TGO której obecność (po przekroczeniu 5 μm powoduje odpryskiwanie powłoki ochronnej TBC). Jednym z rozwiązań jakie są proponowane jest m.in zastąpienie tlenków Itru tlenkami Lantanu bądź innego pierwiastka.Wiele też zależy od metody nanoszenia powłok – zarówno barierowych jak i żaroodpornych.

Tak czy inaczej,dzięki zastosowaniu nowoczesnych powłok ochronnych dzisiejsze silniki lotnicze mogą osiągnąć wyższą temperaturę pracy – a co za tym idzie większą sprawność.

Wszystkim zainteresowanym tematyką powłok ochronnych takich jak powłoki TBC polecam książkę „High Temperature Coatings” autorstwa Sudhangshu Bose.

Podziękowania:
Przy napisaniu tego wpisu wykorzystano:
1. materiał ćwiczeniowy „Powłoki Ochronne – Rola Powłok, Otrzymywanie, Mikrostruktura, Zakres Zastosowań” stosowany w nauczaniu przedmiotu „Materiały dla Energetyki i Lotnictwa” przez zespół Pracowni Mikroskopii elektronowej i badań fizycznych, Katedry Metaloznawstwa i Metalurgii Proszków, Wydziału IMIP AGH.
2. Notatki własne z książki „Thermal Barrier Coatings” autorstwa Huibin Xu i Hongbo Guo – tą książkę również polecam.

A dla tych,których interesuje jak silnik odrzutowy działa – mam filmik:

Reklamy

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s