Nanopartiklar i flygmotorers ytskikt tredubblar livslängden och minskar bränsleförbrukning
Forskare vid Högskolan Väst har börjat använda nanopartiklar i de värmeisolerande ytskikt som skyddar flygmotorer från hetta. I forskarnas tester ökade livslängden med över 300 procent. Detta är något som intresserar både flygindustrin och gasturbinindustrin i allra högsta grad och förhoppningen är att motorer med de nya skikten ska vara i produktion inom två år.
För att öka flygmotorers livslängd sprutas ett värmeisolerande ytskikt ovanpå metallen. Tack vare det extra skiktet skyddas motorn från hetta. Då kan man också höja temperaturen vilket leder till ökad effektivitet, minskade utsläpp och mindre bränsleförbrukning. Målet för forskargruppen vid Högskolan Väst är att kunna kontrollera ytskiktets struktur för att öka dess livslängd och isoleringsförmåga. I sitt arbete har de använt olika material.
– Basen är ett keramikpulver men vi har också testat att tillsätta plast för att generera porer som gör materialet mer värmeisolerande och mer elastiskt, säger Nicholas Curry som just presenterat sin doktorsavhandling i ämnet.
Stora påfrestningar på materialet
Keramikskikten utsätts för stora påfrestningar när de enorma temperaturväxlingarna gör att materialen omväxlande expanderar och krymper. Det är därför viktigt att få skikten elastiska. Senaste året har forskarna fokuserat på att förädla mikrostrukturen ytterligare, allt för att skikten ska vara intressanta för industrin att använda.
– Vi har testat att använda ett skikt där nanopartiklar ingår. Partiklarna är så fina att vi
inte kunnat spruta pulvret direkt på en yta. I stället blandar vi först pulvret i en vätska som sedan sprutas. Detta kallas suspensionplasma-sprutning.
Chocktester simulerar temperaturväxlingar
Nicholas Curry och hans kollegor har sedan testat det nya skiktet flera tusen gånger i så
kallade chocktest, för att simulera temperaturväxlingen i en flygmotor. Och det visar sig att ytskiktet håller minst tre gånger så länge som ett konventionellt skikt, samtidigt som det har låg värmeledningsförmåga.
– En flygmotor som håller längre behöver inte lika ofta, det sparar pengar för flygindustrin. Den nya tekniken är också betydligt billigare än den konventionella vilket gör att många fler företag kommer att kunna köpa in utrustningen.
Forskningen vid Högskolan Väst sker i tätt samarbete med flygmotortillverkaren GKN Aerospace, tidigare Volvo Aero, och Siemens Industrial Turbomachinery som gör gasturbiner. Tanken är att det nya skiktet ska användas i både flygmotorer och gasturbiner inom två år.
Vad händer med materialet över längre tid?
En av de viktigaste frågorna att lösa för forskarna är hur de kan kontrollera vad som händer med ytbeläggningens struktur över tid och att förstå hur mikrostrukturen i skikten fungerar.
– Ett konventionellt ytskikt ser ut som en smörgås, med lager på lager. Det ytskikt som vi får fram med den nya metoden kan mer liknas vid stående kolumner. Det gör skiktet mer flexibelt och mer elastiskt. Och det fäster på metallen oavsett om ytan är helt slät eller inte. Det viktigaste är inte materialet i sig utan hur poröst det är, säger Nicholas Curry.
FAKTA– Så fungerar termisk sprutning
Ytskikten på flygmotorer och gasturbiner kallas värmebarriärsskikt och de tillverkas med en metod som kallas termisk sprutning. Vid mycket hög temperatur, 7000-8000 grader, sprutar man ett keramiskt pulver med en plasmastråle mot en yta. Keramikpartiklarna smälter och träffar ytan där de bildar ett skyddslager som är ungefär en halv millimeter tjockt.
