2005年3月4日
美国能源部的研究人员艾姆斯实验室和爱荷华州立大学已经开发出一种新的债券外套热障涂层,涂层,这可能允许在飞机燃气涡轮发动机和其他发电技术更好地承受严重的高温环境。基础研究工作可以提供一个确认系统显著提高涡轮叶片的可靠性和耐久性,从而实现更高的运营效率,延长引擎寿命。
商业热障涂层由三层组成。第一层通常是一个铝钛黏合层,基于复合镍铝或NiAl。债券外套直接用于涡轮叶片。第二层是一个薄,热氧化生长,或TGO黏合层中的铝氧化形式。第三层,薄(约半毫米)陶瓷表面涂层、热导率低,因此,作为一个屏障对热损伤。
“通过应用热障涂层涡轮叶片,可以提高发动机的燃烧温度,从而导致显著提高燃气轮机的效率,”Dan Sordelet说Ames实验室的资深科学家。他解释说,黏合层的氧化能力和形成一个连续的,增长缓慢和附着TGO层是创建一个有弹性的关键和可靠的热障涂层。
Sordelet强调,开裂或分裂TGO层由于时间和服务在一个恶劣环境中失败的主要原因之一是确认系统和相关的引擎组件。在温度达到1100摄氏度(2012华氏度)以上,黏合层中的铝开始扩散到衬底,改变整个黏合层组成。
“如果足够铝扩散进入基体,最终相变,晶体结构的改变,发生和可能导致大规模黏合层表面的变形及随后TBC)系统的失败,“Sordelet说。详细说明,他补充说,“最初,有一层很薄的TGO坐在一个非常平坦的黏合层表面。如果黏合层继续失去铝阶段转换发生,情况会改变薄而扁平,薄和“皱巴巴。强调发展,表面涂层脱落的可能性增加迅速。”
努力改善TBC的系统的可靠性,Sordelet和布莱恩·格里森Ames实验室主任的材料物理和工程项目和一个州立大学材料科学与工程教授,在各种nickel-aluminum-platinum身上进行实验或Ni-Al-Pt亚博网站下载合金样品由艾姆斯实验室的举世闻名的材料准备中心。亚博老虎机网登录
“丹,我收到了来自海军研究办公室的资金Ni-Al-Pt系统进行基础研究,包括等温相图的实验测定,“格里森说。“提供急需的相图指导阐明宪法相/成分和性质之间的关系在这个系统。”
很意外,这两位研究人员发现铂添加显著提高nickel-rich散装合金的抗氧化性能有相同类型的涡轮机合金结构。没有铂金,这些合金形成一个规模相对快速增长的TGO容易碎裂,或分手,在热循环过程中。通过添加铂,合金成为高度抗氧化,形成顽强,生长缓慢TGO规模。但Sordelet和格里森并不满意。
“抗氧化合金的典型设计,你总是发现添加一个小撒这个,小撒有戏剧性的效果,“Sordelet说。“嗯,布莱恩洒锆和铪的直觉是非常准确的。”研究人员分别或同时添加一点nickel-rich成分,极大的提高。
“添加铪,氧化率下降了一个数量级,“Sordelet说。“我们现在有报告的最低的增长率。很了不起的!”
在当前铝钛黏合层合金,只有少量(例如,< 0.1 wt. %)的氧化锆和铪可以添加改善之前添加太多是有害的,导致灾难性的失败氧化。在商业涂料生产,它是极其难以实现一个充分均匀分布的少量的金属以具有成本效益的方式。“幸运的是,在新的nickel-rich债券外套,我们观察到显著减少氧化率在一个大的浓度,从0.5到4 wt. %铪,”格里森强调。“这些不再是“跟踪”水平处理工程师,因此可以轻松地在整个材料合金均匀。“这个属性给Sordelet和格里森的新涂层处理窗口,他们都说非常希望他们去过的涂料行业的人。
他们的工作与领导的散装合金格里森和Sordelet另一个幸运的结果。他们发现铂改变nickel-rich成分铝的扩散行为。”而不是铝从债券外套下到基板上,它正从基质到债券的外套,“格里森解释道。”这一现象被称为“上坡扩散,”这是一个强大的化学相互作用的结果铝和白金。与我们的新债券涂层成分、铝的底物可以作为一个大型水库,因此维持保护氧化层的增长。”
这两位研究人员最近证明了他们的新涂料可以提供显著的好处超过当前最先进的债券涂料用于先进TBC)系统。“我们一直使用航空发动机制造商,迄今,结果非常令人鼓舞,”Sordelet说。
艾姆斯实验室操作的能源部通过爱荷华州立大学。实验室进行研究国家关心的各个领域,包括能源、高速电脑设计,环境清理和恢复,以及新材料的合成和研究。亚博网站下载