Att skydda turbinblad i jetmotorer från oxidation
Genom så kallad högtemperaturoxidation kan snabbt stora delar av materialet i turbinbladen i en jetmotor eller gasturbin konsumeras, vilket medför försvagning av bladen och följaktligen ökad risk för motorhaveri. I en doktorsavhandling på Chalmers har Johan Angenete studerat hur man med ytbeläggningar kan skydda turbinbladen.
Turbinblad i jetmotorer och gasturbiner utsätts ofta för temperaturer som kan sträcka sig upp mot 1100-1200 ºC. Vid så höga temperaturer har metallen i turbinbladen en stor benägenhet att reagera med omgivande gaser, till exempel syre. Denna process kallas högtemperaturoxidation.
De legeringar som används till turbinblad (så kallade superlegeringar) är huvudsakligen optimerade med avseende på de mekaniska egenskaperna. En följd av detta är att de inte har tillräckligt stor egen motståndskraft mot högtemperaturoxidation. Lösningen på detta problem är att belägga turbinbladet med olika typer av ytbeläggningar, till exempel så kallade aluminiumoxidbildande diffusionsbeläggningar. Filosofin bakom sådana beläggningar är att genom att öka aluminiumhalten vid komponentens yta styra oxidationsprocesserna så att huvudsakligen aluminiumoxid bildas. Denna oxid är mycket stabil och bildar ett tunt (omkring en tusendels millimeter tjockt) men mycket tätt skal på ytan. Om detta skal är tillräckligt tätt skiljs metallen och de omgivande gaserna från varandra, varvid reaktionen bromsas upp.
Denna metod har visat sig vara mycket effektiv när det gäller att bromsa högtemperaturoxidation, men har tyvärr vissa begränsningar. Aluminiumhalten i ytskiktet kommer kontinuerligt att minska under användning. Detta som en följd dels av diffusion med turbinbladets grundmaterial, dels av att aluminium konsumeras av det växande oxidskalet på ytan. Efter lång tids användning riskerar dessutom oxidskalet att lossna från metallytan, varefter ett nytt skal måste bildas. Denna process, kallad flagning, ökar takten med vilken ytbeläggningen bryts ned. De olika nedbrytningsprocesserna gör att en given ytbeläggning alltid har en begränsad livslängd.
Johan Angenete har i sitt avhandlingsarbete studerat både hur beläggningen och oxidskalet förändras under användning. Som ett led i detta arbete har han som en av de första världen lyckats framställa prover där både den ömtåliga oxiden och den underliggande metallen kunnat studeras i elektronmikroskop. Med hjälp av denna teknik har han kunnat utföra noggrann karakterisering av mikrostrukturen både hos ytbeläggningar och oxidskal samt kunnat studera hur ytbeläggningens sammansättning och struktur påverkar oxidskalen.
Målet har varit att förklara vilka nedbrytningsmekanismer som ytterst bestämmer livslängden för en given ytbeläggning. En mer grundläggande förståelse av dessa mekanismer kan i framtiden innebära att man kan utveckla mer tåliga ytbeläggningar, samt att man bättre kan bedöma hur länge en viss ytbeläggning kan fungera.
Avhandlingen, “Aluminide diffusion coatings for Ni based superalloys – Coating and oxide microstructure”, försvarades vid en offentlig disputation fredagen den 22 februari påChalmers.
Mer information
Johan Angenete, Avdelningen för experimentell fysik, Chalmers och Göteborgs universitet, tel.: 031-772 33 22 e-post: angenete@fy.chalmers.se.
Se även http://fy.chalmers.se/~angenete för sammanfattningar av artiklar och avhandlingen.
