Производители самолетов и их заказчики в правительстве и промышленности вложили средства в разработку новых авиационных двигателей, которые работают при чрезвычайно высоких температурах, что означает, что двигатели могут вырабатывать больше энергии при меньшем расходе топлива. Однако очень высокие температуры могут стать проблемой для материалов, используемых для изготовления двигателя.

Хейдн Уодли, профессор материаловедения и инженерии Эдгара Старка в Школе инженерных и прикладных наук Университета Вирджинии, и Йерун Дейкерс, научный сотрудник группы Уодли, нашли способ значительно продлить срок службы материалов, используемых в этих реактивных двигателях. Их статья "Подход Duplex Bond Coat к системам защитных покрытий для окружающей среды" опубликована в сентябрьском номере журнала за 2021 год. Материальная программа.

"Реактивный двигатель поглощает огромное количество воздуха, который, будучи сжатым и смешанным с углеводородным топливом и сгоревшим в камере сгорания, приводит в действие двигательную установку самолета. Чем горячее камера сгорания, тем эффективнее двигатель", - сказал Уодли.

Сгорание в авиационных двигателях в настоящее время достигает или превышает 1500 градусов по Цельсию, что значительно выше температуры плавления деталей двигателя, обычно изготовленных из сплавов никеля и кобальта. Исследования обратились к керамике, которая может выдерживать эти температуры, но она должна противостоять химическим реакциям водяного пара и несгоревшего кислорода в экстремальных условиях горения.

Предпочтительной керамикой является карбид кремния. Однако деталей двигателя, изготовленных из карбида кремния, хватило бы всего на несколько тысяч часов полета. При таких высоких температурах углеродный элемент вступает в реакцию с кислородом с образованием монооксида углерода (газа), в то время как кремний образует диоксид кремния (твердое вещество), но диоксид кремния вступает в реакцию с водяным паром с образованием газообразного гидроксида кремния. Другими словами, часть двигателя постепенно превращается в газ и исчезает из выхлопной трубы.

Для защиты керамических деталей производители двигателей наносят на карбид кремния двухслойное покрытие, называемое системой защитных покрытий для окружающей среды. Внешний слой предназначен для замедления распространения кислорода и водяных паров по направлению к карбиду кремния во время полета, в то время как внутреннее связующее покрытие из кремния защищает поверхность карбида кремния, вступая в реакцию с кислородом с образованием тонкого слоя кремнезема. Но в этом дизайне все еще есть проблемы.

"Срок службы компонентов двигателя часто определяется временем, которое требуется для того, чтобы толщина слоя кремнезема достигла критической точки, когда напряжение, вызванное расширением и сжатием при повторном нагреве и охлаждении, приводит к отслаиванию покрытия", - сказал Уодли.

У ученых и инженеров есть две основные стратегии, позволяющие замедлить отделение покрытия и продлить срок службы дорогостоящих компонентов двигателя. Они могут сделать внешний слой покрытия очень толстым, чтобы замедлить поступление кислорода к связующему слою, но это увеличивает вес и стоимость. Или же они могут создать другой вид защитного оксида, который не "отслаивается".

Дейкерс и Уодли придерживались второй стратегии.

В их решении используется внешний слой дисиликата иттербия, редкоземельного элемента, который обладает характеристиками теплового расширения кремния и карбида кремния и медленно переносит кислород и водяной пар к слою кремния. Сначала они нанесли связующее покрытие из кремния, а затем поместили тонкий слой оксида гафния между кремнием и внешним слоем дисиликата иттербия.

Их экспериментальные исследования показывают, что когда диоксид кремния образуется на кремнии, он немедленно вступает в реакцию с гафнием, образуя оксид кремния-гафния, или гафнон. Тепловое расширение и сжатие hafnon такие же, как и у остального покрытия, и никогда не приведут к отслаиванию или растрескиванию покрытия. Уодли называет это добавлением небольшого количества "волшебной пыли гафнии".

"Когда мы наносим очень тонкий слой гафния поверх кремния, за которым следует слой дисиликата иттербия, кислород, проходящий через дисиликат иттербия, вызывает химическую реакцию с нижележащими материалами с образованием гафнона", - сказал Дейкерс.

Доступ Дейкерса к уникальному оборудованию в лаборатории Уодли, в частности к системе направленного осаждения из паровой фазы, позволил совершить этот прорыв в области защитных покрытий для окружающей среды. Способность осаждать пленку дисиликата иттербия, которая тоньше диаметра человеческого волоса, является ключом к их успеху.

В процессе направленного осаждения из паровой фазы используется мощный сфокусированный электронный пучок мощностью 10 киловатт для расплавления материала в камере низкого давления. Сверхзвуковая газовая струя переносит пар к покрытому кремнием карбиду кремния, где он конденсируется, образуя тонкую пленку. Затем они используют метод плазменного напыления для нанесения конечного слоя дисиликата иттербия, и после этого покрытый компонент готов к испытаниям.

Дейкерс успешно защитил свою диссертацию в октябре 2020 года, объединив свои интересы в области авиации и высокотемпературных материалов для докторской диссертации и следуя пути своего отца в области материаловедения и инженерии.

"Мой отец раньше работал на дноуглубительных судах. Увидев, что насосная станция светится оранжево-белым светом в печи, вот как я поймал инженерную ошибку", - сказал Дейкерс.

Дейкерс, родом из Нидерландов, объединил эти ранние воспоминания со своим интересом к службе в Военно-воздушных силах Нидерландов, получив степень бакалавра и магистра в области аэрокосмической инженерии в Делфтском технологическом университете.

Когда Дейкерс начал подавать документы на докторскую степень в Соединенных Штатах, внимание Уодли привлекла его магистерская диссертация по теплозащитным покрытиям. Прибытие Дейкерса было очень своевременным. Член группы Брэд Ричардс, получивший степень доктора философии в области материаловедения и инженерии в UVA в 2015 году, разработал систему покрытия из дисиликата кремния и иттербия для керамики, которая впоследствии оказалась очень похожей на ту, что используется производителями авиационных двигателей.

Диссертация Дейкерса улучшает систему нанесения покрытий Ричардса, углубляя понимание химического состава поверхности и повышая жизнеспособность системы нанесения покрытий для коммерческого применения.

"Один из вопросов, лежащих в основе моего исследования, был сосредоточен на том, сколько времени требуется гафнону для образования в процессе окисления", - сказал Дейкерс. "Я хотел понять, как на самом деле работает этот процесс и можем ли мы на самом деле его использовать.

"Это покрытие обладает большим потенциалом, чем мы думали; нам нужно разработать его и внедрить в реальный двигатель, чтобы продвинуть его дальше по пути коммерциализации".

Современные методы основаны на методах осаждения, разработанных в 1970-х годах.

"По сравнению с передовым состоянием промышленности наши исследования значительно улучшились", - сказал Дейкерс. "По моим приблизительным оценкам, если бы промышленные производители смогли внедрить эти новые технологии обработки, они могли бы продлить срок службы деталей двигателя в целых 200 раз. Но есть много препятствий, которые нужно преодолеть, чтобы достичь такого уровня производительности ".

Исследовательская группа Уодли добилась этих успехов при поддержке Управления военно-морских исследований, которое присудило команде Уодли два последовательных гранта в течение шести лет.

"Проблемы, которые нам приходится решать, носят междисциплинарный и многоинституциональный характер", - сказал Уодли. "Нам нужно объединить знания из механики, химии и материаловедения, чтобы добиться прогресса. Помимо непосредственной необходимости сокращения выбросов CO₂ излучаемые двигательной техникой, наши исследования поддерживают глобальный переход от углеродсодержащих углеводородов к водородному топливу и возможную электрификацию платформ для авиаперевозок".

В то время как Дейкерс надеется привлечь частную промышленность к разработанной командой системе нанесения покрытий и процессу осаждения, его карьерные амбиции заключаются в том, чтобы заниматься научными открытиями в национальной лаборатории или в академических кругах.

"Нация остро нуждается в талантах на этой арене", - сказал Уодли. "Мы отчаянно нуждаемся в ярких, творческих людях, которые хотят быть обученными решать такого рода проблемы для общества в будущем".

Точно так же, как Дейкерс продолжил исследования Ричардса, он поощряет студентов инженерного факультета UVA участвовать в междисциплинарных исследованиях, проводимых в группе Уодли.

"У нас были магистранты аэрокосмической инженерии, физики, системной инженерии", - сказал Дейкерс. "Мы работаем над множеством различных аспектов проблемы - компьютерным моделированием, синтезом материалов, термомеханическим проектированием жизненного цикла. У нас всегда есть чем заняться студентам старших курсов, и мы всегда открыты для того, чтобы они проводили исследования вместе с нами ".