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            材料科學(xué)工程師努力減少排放的飛機引擎


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            飛機制造商和他們的顧客在政府和行業(yè)投資新飛機引擎的設計函數在極高的溫度,這意味著(zhù)發(fā)動(dòng)機燃燒更少的燃料時(shí)能產(chǎn)生更多的能量。 然而,高溫可能是一個(gè)問(wèn)題的材料用于制造發(fā)動(dòng)機。

            海頓Wadley,埃德加斯達克的材料科學(xué)與工程教授弗吉尼亞大學(xué)工程與應用科學(xué)學(xué)院和珀斯Deijkers Wadley集團博士后研究助理,找到一種方法,大大延長(cháng)的生命在這些噴氣發(fā)動(dòng)機使用的材料。 他們的論文,“雙黏合層環(huán)境障礙涂層系統方法,”發(fā)表在20219月發(fā)行的Acta Materialia

            噴氣發(fā)動(dòng)機吞大量的空氣,,當壓縮和與烴類(lèi)燃料混合燃燒,燃燒室,權力飛機的推進(jìn)系統。 發(fā)動(dòng)機燃燒室的溫度越高,效率越高,”Wadley說(shuō)?,F在在飛機引擎燃燒達到或超過(guò)1500攝氏度,遠遠高于融化溫度的發(fā)動(dòng)機部件通常由鎳和鈷合金。 研究了陶瓷能夠承受這些溫度,但是他們必須面對水蒸氣和未燃盡的氧氣的化學(xué)反應燃燒的極端環(huán)境。

            碳化硅陶瓷的選擇。 然而,發(fā)動(dòng)機部件由碳化硅將持續只有幾千小時(shí)的飛行時(shí)間。 在如此高的溫度下,碳元素與氧反應生成一氧化碳(氣體),而硅形成二氧化硅(固體),但硅與水蒸氣反應生成氣態(tài)氫氧化硅。 換句話(huà)說(shuō),引擎部分逐步轉化為天然氣和消失排氣尾管。

            保護陶瓷零件,發(fā)動(dòng)機制造商應用兩層涂料,被稱(chēng)為環(huán)境壁壘涂層系統,碳化硅。 外層旨在緩慢擴散的氧氣和水蒸氣對碳化硅在飛行,而內部黏合層制成的硅保護的碳化硅表面與氧氣反應生成一層薄的硅。 但這種設計仍然存在挑戰。生命的引擎組件的時(shí)間通常是由二氧化硅層厚度達到一個(gè)臨界點(diǎn),擴張和收縮引起的應力在反復加熱和冷卻導致涂層的流行,“Wadley說(shuō)。

            科學(xué)家和工程師有兩種基本策略推遲涂層的分離和擴展生活昂貴的引擎組件。 他們可以使外層涂料層很厚減緩黏合層氧氣的到來(lái),但這增加了重量和成本。 或者,他們可以創(chuàng )建一個(gè)不同的氧化防護,一個(gè)不流行了。

            Deijkers Wadley追求第二戰略。

            他們的解決方案使用鐿的外層二矽酸鹽、稀土元素,硅和碳化硅的熱膨脹特性和運輸是緩慢的氧氣和水蒸氣對硅層。 他們首先沉積硅黏合層,然后放置一層薄薄的氧化鉿硅和鐿二矽酸鹽外層。他們的實(shí)驗研究表明,當二氧化硅形成的硅,它立即與二氧化鉿的反應生成氧化silicon-hafniumhafnon。 hafnon的熱膨脹和收縮是一樣的其余的涂層,不會(huì )導致涂層流行或裂紋。 Wadley稱(chēng)之為加一點(diǎn)二氧化鉿仙塵。

            當我們沉積一層很薄的二氧化鉿的硅,緊隨其后的是一層二矽酸鹽,鐿的氧氣穿過(guò)二矽酸鹽鐿創(chuàng )建一個(gè)化學(xué)反應與底層材料形成hafnon”Deijkers說(shuō)。Deijkers”進(jìn)入Wadley獨特的設備的實(shí)驗室,特別是直接氣相沉積系統,啟用這個(gè)突破環(huán)境壁壘涂料。 沉積一層二矽酸鹽鐿的能力比人類(lèi)頭發(fā)直徑的薄是他們成功的關(guān)鍵。

            導演氣相沉積過(guò)程使用一個(gè)強大的10千瓦的聚焦電子束融化材料低壓室。 超音速氣體射流傳輸silicon-coated碳化硅的蒸汽凝結,形成薄膜。 然后使用等離子噴涂方法存款最終鐿二矽酸鹽層,然后涂組件是準備測試。Deijkers成功地維護了他的論文在202010,結合他的興趣在飛機和高溫材料博士學(xué)位研究和遵循他父親的路徑為材料科學(xué)與工程。

            我爸爸從事疏浚船舶使用。 看到泵房發(fā)光orange-white,我抓住了工程缺陷,”Deijkers說(shuō)。Deijkers,來(lái)自荷蘭的這些早期記憶與他興趣在荷蘭空軍服役,獲得學(xué)士和碩士學(xué)位從代爾夫特科技大學(xué)的航空航天工程。

            Deijkers開(kāi)始申請博士項目在美國,他的碩士論文熱障涂層捕獲Wadley的注意。 Deijkers的到達時(shí)間。 小組成員布拉德·理查茲,他贏(yíng)得了UVA材料科學(xué)與工程博士學(xué)位,2015年開(kāi)發(fā)了silicon-ytterbium二矽酸鹽陶瓷涂層系統,后來(lái)發(fā)現是非常相似,被飛機引擎的創(chuàng )造者。Deijkers論文提高理查茲的涂料體系,深化理解涉及的表面化學(xué)和增加商業(yè)采用的涂層系統的可行性。

            一組問(wèn)題駕駛我的研究集中在需要多長(cháng)時(shí)間通過(guò)氧化hafnon形成過(guò)程中,“Deijkers說(shuō)。我想理解這個(gè)過(guò)程真的是如何工作的,以及是否我們可以使用它了。這涂層比我們想象的更大的潛力; 我們需要開(kāi)發(fā)它,把它放進(jìn)一個(gè)實(shí)際的引擎,它沿著(zhù)路徑走向商業(yè)化。

             “與最先進(jìn)的工業(yè)相比,我們的研究是一個(gè)重大的改進(jìn),”Deijkers說(shuō)。我粗略的估計,如果工業(yè)制造商能夠實(shí)現這些新加工技術(shù),他們可以延長(cháng)發(fā)動(dòng)機部件的壽命高達200次。 但是有很多障礙要跨越這一水平的性能。”Wadley的研究小組讓這些進(jìn)步與美國海軍研究辦公室的支持,授予Wadley的團隊連續兩個(gè)贈款在一段六年。

            我們要解決的問(wèn)題是多學(xué)科和多,“Wadley說(shuō)。我們需要從力學(xué)知識融合在一起,化學(xué)和材料科學(xué)為了取得進(jìn)展。 除了迫在眉睫的需要減少有限公司2發(fā)出的推進(jìn)技術(shù),我們的研究支持全球從含碳碳氫化合物轉移到氫燃料和空氣的最終電氣化旅游平臺。Deijkers希望吸引私營(yíng)企業(yè)團隊的涂料體系和沉積過(guò)程,他的事業(yè)心是追求科學(xué)發(fā)現在國家實(shí)驗室或在學(xué)術(shù)界。

            國家急需人才在這個(gè)舞臺上,“Wadley說(shuō)。我們急需明亮、有創(chuàng )意的人想被訓練來(lái)解決這些問(wèn)題對社會(huì )前進(jìn)。正如Deijkers繼續理查茲的研究,他鼓勵UVA工程本科生參與跨學(xué)科研究正在Wadley集團。我們大學(xué)生從航空航天工程、物理、系統工程、“Deijkers說(shuō)。我們正在很多不同方面的問(wèn)題——計算機建模、材料合成、形變場(chǎng)生活設計。 我們總是為本科生做的事情,我們總是開(kāi)放和我們做研究。

             


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