2021-07-26
 
航空燃氣渦輪發動機新型涂層材料的氧化,硅化鐿 (Yb-Si) 是一種很有前途的航空燃氣渦輪發動機高溫部分涂層材料
2021年07月26日  

廣泛用于飛機的航空燃氣渦輪發動機的某些部分經常達到 1,200 °C 以上的溫度。毋庸置疑,在如此惡劣的環境中使用的任何材料都必須經久耐用并能勝任任務。由碳化硅 (SiC) 制成的陶瓷基復合材料最近作為燃氣渦輪發動機的有希望的候選材料引起了人們的興趣中國建材網cnprofit.com。


然而,這些材料需要一個耐熱涂層來防止 SiC 的氧化和隨后 SiO 2 的蒸發,這是一個導致材料體積減少的過程,因此會導致結構缺陷,如大裂紋或最頂部層剝落。


不幸的是,現有的涂層不能完全防止氧化為 SiO 2,因為氧氣可以通過這些層中的微觀裂縫或通過簡單的擴散滲透。


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為了解決這個問題,一些科學家專注于使用硅化鐿 (Yb-Si) 作為涂層材料,因為 Yb-Si 可以達到高熔點,并且它們的氧化物主要是 Yb-硅酸鹽,它們作為氧化物層保持附著并且不會容易蒸發。然而,對于這些材料在空氣或水蒸氣環境中高溫下發生的基本現象知之甚少。


在最近發表在《金屬間化合物》雜志上的一項研究中,包括東京理科大學初級副教授井上亮、助理教授新井裕太郎和小鄉康夫教授以及日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)的高級研究員青木拓哉在內的科學家團隊設置了了解 Yb-Si 的氧化機制。他們進行了各種實驗,以深入了解不同 Yb-Si 涂層在高溫下在三種氣氛下的氧化行為(和降解):空氣、水蒸氣和兩者的混合物。


通過 X 射線衍射分析、能量色散光譜和掃描電子顯微鏡,科學家們能夠準確地可視化和量化 Yb-Si 樣品在熱暴露試驗前后的形態和成分。主要發現之一是 Yb 與 Si 的比率是決定材料氧化行為的主要因素;由于 Yb 在硅化物中的優先氧化,Yb 5 Si3 比 Yb 3 Si 5氧化得更多。此外,在更多富含水蒸氣的氣氛中,氧化物的量顯著減少。


最重要的是,研究人員探索了鐿含量影響 SiO 2形成的機制?!霸谡羝屑訜醿煞N硅化物后,我們在 Yb 5 Si 3 中發現了 SiO 2,而實際上 Si 仍然存在于 Yb 3 Si 5 中,”領導這項研究的 Inoue 博士評論道?!拔覀兊姆治霰砻?,在 Yb 3 Si 5中 SiO 2 的生長受到抑制,因為 SiO 2 參與,并且是形成 Yb-硅酸鹽的反應的限制因素,“他補充說。雖然導致形成各種 Yb-硅酸鹽的確切中間反應尚未完全了解,但該團隊提出了兩個非??赡艿姆磻@可能會通過未來的研究和更詳細的表征技術得到澄清。


總體而言,這項研究為 Yb-Si 氧化過程中發生的事情提供了有意義的見解,這將有助于開發航空燃氣渦輪發動機的保護涂層?!叭绻軌驅崿F能夠承受更惡劣環境的涂層,發動機部件將變得更加耐熱,這自然會導致更高的發動機效率,”井上博士評論道。


希望涂層技術的進一步進步將降低航空運輸成本和燃料消耗,使飛行更便宜,對環境的危害更小。


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