پوشش‌های اکسید عناصر نادر اجازه می‌دهند موتورهای توربینی در دمای بی‌سابقه ۳۳۰۰ درجه فارنهایت کار کنند
یک تیم تحقیقاتی به رهبری دانشگاه ویرجینیا پوشش‌های محافظ جدیدی را توسعه داده‌اند که به موتورهای توربینی اجازه می‌دهند در دماهای بالاتر قبل از خرابی قطعات کار کنند.
الیزابت جی. اوپیلا، استاد و رئیس دپارتمان علوم و مهندسی مواد در UVA و یکی از محققان اصلی این پروژه گفت: "موتورهای داغ‌تر کارآمدتر هستند."
موتورهای توربینی به خاطر استفاده در هواپیما شناخته می‌شوند، اما توربین‌های ثابت بسیاری از کاربردهای صنعتی، از جمله تولید برق، دارند. آنها سوخت را می‌سوزانند تا تیغه‌های توربین را بچرخانند و انرژی مکانیکی را به برق تبدیل کنند.
"شما در دماهای بالاتر کار خروجی بیشتری به ازای ورودی حرارت دریافت می‌کنید" اوپیلا گفت.
مزایای بالقوه علاقه به پوشش‌هایی که به عنوان مانع در برابر گازهای واکنشی تولید شده توسط احتراق در این دماهای بالا عمل می‌کنند و می‌توانند به تیغه‌های توربین آسیب برسانند را تحریک می‌کند.
کارایی به معنای مصرف کمتر سوخت، کاهش انتشارات و هزینه‌های عملیاتی کمتر است.
اکسیدهای عناصر نادر
دو سیستم اولیه مواد در بخش داغ موتورهای توربینی امروزه استفاده می‌شوند.
سوپرآلیاژهای نیکلی پوشش‌داده‌شده می‌توانند تا حدود ۲۲۰۰ درجه فارنهایت تحمل کنند - که بسیار کمتر از هدف وزارت انرژی ایالات متحده برای دمای نزدیک به ۳۳۰۰ درجه فارنهایت است.
دیگری ترکیب سرامیک است که از چندین لایه پوشش برای محافظت در برابر تخریب از طریق اکسیداسیون استفاده می‌کند، که یک واکنش شیمیایی است که با تعرض به هوا و رطوبت رخ می‌دهد.
با این حال، این سیستم‌ها به وسیله دمای ذوب یک لایه، سیلیکون که در دمای ۲۵۷۷ درجه فارنهایت ذوب می‌شود، محدود شده‌اند.
تیم تحت رهبری UVA بر گزینه مواد دیگری به نام آلیاژهای فلز مقاوم تمرکز کردند. فلزات مقاوم به طور وسیع در دهه ۱۹۶۰ مورد مطالعه قرار گرفتند.
اگرچه بادوام و مقاوم در برابر حرارت هستند، به علت مقاومت ناکافی در برابر اکسیداسیون کنار گذاشته شدند.
برای محافظت از آلیاژ، محققان با اکسیدهای عناصر نادر که دارای خواص محافظتی قوی به طور طبیعی هستند، برای توسعه یک پوشش جامع استفاده کردند.
کریستین آردری، فارغ‌التحصیل دکترای آزمایشگاه اوپیلا و نویسنده اصلی مقاله گفت: "با ترکیب چندین اکسید عنصر نادر، می‌توان ویژگی‌ها را تنظیم کرد تا از زیرلایه پایه بهتر محافظت کند تنها با یک لایه."
"این به ما اجازه داد که عملکرد بهتری بدون پوشش‌های پیچیده چندین لایه به دست آوریم."
کار کردن توربین‌ها در دماهای بالا
آزمایشگاه اوپیلا ترکیب‌های جدیدی از عناصر نادر زمین مانند ایتریوم، اربیوم و ایتربیوم را ایجاد و آزمایش کردند.
تیم این پوشش‌ها را به آلیاژها با استفاده از دو روش استاندارد ساخت اعمال کرد.
یک تکنیک این است که ماده را تا حالت مذاب گرم کنند و سپس آن را روی سطح پاشیده کنند. دیگری به صورت مخلوط مایع اعمال می‌شود که خشک و سخت می‌شود.
محققان بررسی کردند که هر روش چقدر خوب تحت شرایط گرمای شدید و شرایط واکنشی عملکرد دارد، مانند تعرض به بخار داغ.
اوپیلا گفت: "این یک تلاش مشترک بود."
"استفاده از یادگیری ماشین و روش‌های محاسباتی به ما اجازه داد که مجموعه بزرگی از ترکیبات مادی ممکن را کاوش کنیم، و آزمایشگاه پاتریک کلید درک ویژگی‌های فیزیکی مواد توسعه داده شده ما بود."
به عنوان یکی از اولین گروه‌های تحقیقاتی که با اکسیدهای چندمولفه‌ای عناصر نادر آزمایش کردند، تیم می‌داند که آزمون و اصلاح بیشتر لازم است.
شبیه‌سازی‌های کامپیوتری به آنها کمک خواهند کرد که پوشش‌ها را بهبود و بهترین روش‌های اعمال را تجزیه و تحلیل کنند.
اما نتایج آنها نشانگر یک گام مهم به جلو در فناوری موتورهای توربینی است - و این برای همه خوب است.
اوپیلا گفت: "کاهش مصرف سوخت و انتشارات در حالی که عملکرد موتور را بهبود می‌بخشید، نه تنها برای صنایعی مانند انرژی و هواپیما خوب است، بلکه به معنای محیط زیست پاکتر و هزینه‌های کمتر برای مصرف‌کنندگان عادی نیز هست."
