新型保护涂层可提高涡轮发动机效率

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弗吉尼亚大学领导的研究小组开发出了新的保护涂层，可以使涡轮发动机在部件开始出现故障之前在更高的温度下运行。
“发动机温度越高，效率越高，”弗吉尼亚大学材料科学与工程系教授兼系主任、该项目首席研究员伊丽莎白·奥皮拉 (Elizabeth J. Opila) 表示。
涡轮发动机主要用于飞机推进，但固定式涡轮机有许多工业用途，包括发电。它们燃烧燃料来旋转涡轮叶片，将机械能转化为电能。
“在更高的温度下，单位热量输入可以产生更多的功输出，”Opila 说道。“潜在的好处促使人们对涂层产生兴趣，这种涂层可以作为屏障，防止高温下燃烧产生的反应性气体损坏涡轮叶片。”
效率意味着更少的燃料消耗、更少的排放和运营成本。他们在 Scripta Materialia 10 月刊上发表了他们的研究成果。
当今高温材料的极限
目前涡轮发动机的热部件主要使用两种材料系统：
涂层镍基高温合金可耐受高达约 2,200°F 的温度——远低于美国能源部设定的近 3,300°F 的目标。
陶瓷复合材料使用多层涂层来防止氧化降解，氧化是暴露在空气和水分中时发生的化学反应。然而，这些系统受到一层硅的熔化温度的限制，硅的熔化温度为 2,577°F。
UVA 领导的团队专注于另一种材料选择，即难熔金属合金。难熔金属在 20 世纪 60 年代得到了广泛的研究。虽然它们耐用且耐热，但由于抗氧化性较差而被放弃。
为了保护合金，研究人员尝试了稀土氧化物（天然具有强大保护性能的化合物），以制作出一种万能涂层。
“通过结合多种稀土氧化物，仅用一层就可以实现定制性能，以更好地保护底层基材，”Opila 实验室的博士毕业生、论文第一作者 Kristyn Ardrey 说道。“这使我们能够在不使用复杂的多层涂层的情况下实现更好的性能。”
多学科团队方法
Opila 的实验室创造并测试了钇、铒和镱等稀土元素的新组合。为了预测最佳组合并提高性能，他们与 UVA 副教授 Bi-Cheng Zhou 和 Prasanna Balachandran 合作，他们的实验室专门研究计算机模拟和机器学习（一种人工智能）。
研究团队使用两种标准制造方法将涂层涂在合金上。一种技术是将材料加热至熔融状态，然后喷涂在表面上。另一种技术是将涂层以液体混合物的形式涂在合金上，然后干燥并硬化。研究人员测试并比较了每种方法在极端高温和反应条件下（例如暴露于高温蒸汽）的表现。
他们还与弗吉尼亚大学教授帕特里克·霍普金斯的 ExSiTE 实验室合作，该实验室专门使用激光测量耐热性和材料强度。
“这是一次合作努力，”奥皮拉说。“使用机器学习和计算方法使我们能够探索大量可能的材料组合，而帕特里克的实验室对于理解我们开发的材料的物理特性至关重要。”
还有更多工作要做
作为首批试验多组分稀土氧化物的研究团队之一，该团队深知还需要进行更多测试和改进。使用计算机模拟将有助于他们继续改进涂层并分析最佳应用方法。
但他们的成果代表了涡轮发动机技术向前迈出的重要一步——这对每个人来说都是有益的。
“降低燃料消耗和排放，同时提高发动机性能，不仅对能源和航空等行业有利，”奥皮拉说。“这也意味着更清洁的环境和更低的日常消费者成本。”