弗吉尼亞大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開(kāi)發(fā)出了新的保護(hù)涂層，可以使渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在部件開(kāi)始出現(xiàn)故障之前在更高的溫度下運(yùn)行。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于飛機(jī)推進(jìn)，但固定式渦輪機(jī)有許多工業(yè)用途，包括發(fā)電。它們?nèi)紵剂蟻?lái)旋轉(zhuǎn)渦輪葉片，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。“在更高的溫度下，單位熱量輸入可以產(chǎn)生更多的功輸出，”Opila 說(shuō)道。“潛在的好處促使人們對(duì)涂層產(chǎn)生興趣，這種涂層可以作為屏障，防止高溫下燃燒產(chǎn)生的反應(yīng)性氣體損壞渦輪葉片。”效率意味著更少的燃料消耗、更少的排放和運(yùn)營(yíng)成本。他們?cè)?Scripta Materialia 10 月刊上發(fā)表了他們的研究成果。

當(dāng)今高溫材料的極限

目前渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱部件主要使用兩種材料系統(tǒng)：涂層鎳基高溫合金可耐受高達(dá)約 2,200°F 的溫度——遠(yuǎn)低于美國(guó)能源部設(shè)定的近 3,300°F 的目標(biāo)。陶瓷復(fù)合材料使用多層涂層來(lái)防止氧化降解，氧化是暴露在空氣和水分中時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。然而，這些系統(tǒng)受到一層硅的熔化溫度的限制，硅的熔化溫度為 2,577°F。UVA 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于另一種材料選擇，即難熔金屬合金。難熔金屬在 20 世紀(jì) 60 年代得到了廣泛的研究。雖然它們耐用且耐熱，但由于抗氧化性較差而被放棄。為了保護(hù)合金，研究人員嘗試了稀土氧化物(天然具有強(qiáng)大保護(hù)性能的化合物)，以制作出一種萬(wàn)能涂層。“通過(guò)結(jié)合多種稀土氧化物，僅用一層就可以實(shí)現(xiàn)定制性能，以更好地保護(hù)底層基材，”Opila 實(shí)驗(yàn)室的博士畢業(yè)生、論文第一作者 Kristyn Ardrey 說(shuō)道。“這使我們能夠在不使用復(fù)雜的多層涂層的情況下實(shí)現(xiàn)更好的性能。”

作為首批試驗(yàn)多組分稀土氧化物的研究團(tuán)隊(duì)之一，該團(tuán)隊(duì)深知還需要進(jìn)行更多測(cè)試和改進(jìn)。使用計(jì)算機(jī)模擬將有助于他們繼續(xù)改進(jìn)涂層并分析最佳應(yīng)用方法。