تولید پوشش‌های نانوساختار سد حرارتی برای موتورهای پیشرفته هوایی در کشور

  پژوهشگران دانشگاه صنعتی اصفهان با همکاری دانشگاه مالک اشتر، موفق به تولید نوعی پوشش‌های نانوساختار برای سد حرارتی با عمر چرخه‌ای خوب، هدایت حرارتی پایین‌تر و خواص مکانیکی بهتر نسبت به نوع متداول شدند.

به گزارش سرویس فناوری ایسنا، محمدرضا لقمان استرکی، دانشجوی دکتری نانومواد دانشگاه صنعتی اصفهان و محقق این طرح اظهار کرد: امروزه افزایش راندمان موتورهای پیشرفته هوایی، نیازمند دماهای ورودی بالاتر برای توربین‌های گازی است. این اهداف بزرگ، تنها با به کارگیری تکنیک‌های خنک‌سازی گسترده غیر اقتصادی یا بکارگیری مواد پیشرفته مقاوم در دمای بالا و یا در حالت خاص، با بکارگیری پوشش‌های سد حرارتی (TBCs) حاصل خواهد شد.

وی افزود: به طور عادی پوشش‌های سد حرارتی از یک سیستم دوتایی شامل یک لایه سرامیکی نازک با هدایت حرارتی پایین (به طور مثال، زیرکونیای به طور جزئی پایدار شده بوسیله‌ ایتریا) تحت عنوان پوشش رویی و یک پوشش فلزی مقاوم به خوردگی و اکسیداسیون، که بهبود‌ دهنده چسبندگی سرامیک به زیرلایه نیز هست و به آن آستری گفته می‌شود، تشکیل شده است. زیرکونیا به چندین علت مورد استفاده قرار می‌گیرد که از آن جمله می‌توان به هدایت حرارتی پایین، پایداری حرارتی در اتمسفر اکسید کننده، دمای بالای احتراق، ضریب انبساط حرارتی بالا و قابلیت پوشش‌دهی اقتصادی آن بر روی قطعات فلزی اشاره کرد.

لقمان استرکی به نوشته سایت نانو تصریح کرد: پوشش‌های نانوساختار TBC نسبت به پوشش‌های معمول دارای عمر چرخه‌ای خوب، هدایت حرارتی پایین‌ترو خواص مکانیکی بهتر است. پوشش‌های معمولی و نانوساختار YSZ، دو عیب مهم ناپایداری فاز در دمای بالای 1200 درجه سانتی گراد و حساسیت به خوردگی داغ در حضور ناخالصی وانادات دارند؛ لذا ساخت پوشش نانوساختار SYSZ برای اهداف رسیدن به پایداری فاز دما بالا (تا 1400 درجه سانتی گراد) و کم کردن حساسیت پوشش TBC به خوردگی داغ ضروری به نظر می‌رسد.

وی یادآور شد: ایتریا (Y2O3)، سریا(Ce2O3)، اسکاندیا(Sc2O3)، ایندیا(In2O3) وMgO و CaO از جمله معروفترین موادی هستند که برای پایدار کردن زیرکونیا استفاده می‌شوند. به‌ تازگی، استفاده از دو پایدار‌کننده برای دستیابی به خواص بهتر و طول عمر بیشتر پوشش سد حرارتی مورد توجه محققان قرار گرفته است.

دانشجوی دکترای نانومواد دانشگاه صنعتی اصفهان گفت: تحقیقات نشان داده است که پوشش پلاسما اسپری SYSZ، پایداری حرارتی و مقاومت به خوردگی داغ بیشتری نسبت بهYSZ و SSZ دارد ولی تاکنون پژوهشی در مورد خواص پوشش SYSZ نانوساختار انجام نشده است. در این پژوهش از روش سل-ژل پچینی اصلاح شده، که یک روش کاربردی، آسان و کم هزینه است، برای تولید پودر نانوساختار SYSZ در مقیاس بالا استفاده شد. اساس ایجاد ژل در روش پچینی معمولی، تولید ژل پلی استری‌ از طریق آب‌زدایی بین یک آلفا هیدروکسی کربوکسیلیک اسید (مانند سیتریک اسید) و یک الکل چند عاملی (مانند اتیلن گلیکول) است.

وی افزود: در این پژوهش، از مخلوط آب و اتیلن گلیکول مونوبوتیل اتر استفاده شد که باعث می‌شود زمان تشکیل ژل نسبت به پچینی متداول به نصف کاهش یابد و همچنین میزان آگلومراسیون نانوذرات نسبت به پچینی متداول کاهش یابد.

لقمان استرکی، با بیان افزایش پایداری فاز و مقاومت به خوردگی داغ پوشش سد حرارتی نانوساختار SYSZ به عنوان هدف این تحقیقات، در مورد مراحل انجام این پژوهش نیز گفت برای رسیدن به هدف خود مراحل «ساخت و مشخصه‌یابی نانوپودر زیرکونیای پایدار شده با اسکاندیا و ایتریا (SYSZ) در مقیاس بالا»، «تولید پودرهای آگلومره نانوساختار SYSZ»، «تولید پوشش‌های نانوساختار سد حرارتی با پایداری فاز تا 1400 درجه سانتی گراد، با زیر پوشش MCrAlY به روش پاشش پلاسما اسپری برروی سوپر آلیاژ پایه نیکل»، «بررسی متالوژیکی و کریستالوگرافی ساختار پوشش، قبل و بعد از فرایند خوردگی داغ، جهت تعیین اثر اجزای نانو ساختار بر تغییرات ترکیبی و ساختاری پوشش و مقایسه نتایج به دست آمده با پوشش متداول YSZ» و «ارزیابی ظرفیت عایق‌سازی حرارتی پوشش و مقایسه نتایج به دست آمده با پوشش متداول YSZ» باید انجام شود.

به گفته لقمان استرکی پوشش‌های نانوساختار TBC تولید شده نسبت به پوشش‌های معمول دارای عمر چرخه‌ای خوب، هدایت حرارتی پایین‌ترو خواص مکانیکی بهتر است.

محقق این طرح تصریح کرد: استفاده از این پوشش، امکان استفاده از سوخت‌های غیر مرغوب با خلوص کم برای توربین‌ها را فرهم می‌کند. همچنین به دلیل پایداری فاز دما بالای آن، امکان بالا بردن دمای توربین‌ها و افزایش راندمان توربین‌ها را میسر می‌کند.

نتایج اخیر این کار تحقیقاتی که توسط محمد رضا لقمان استرکی، دکتر ادریس از دانشگاه صنعتی اصفهان و دکتر شجاع رضوی از دانشگاه مالک اشتر اصفهان صورت گرفته، در مجله‌های CrystEngComm و Ceram. Int منتشرشده است.