پژوهشگران دانشگاه صنعتی اصفهان با همکاری دانشگاه مالک اشتر، موفق به تولید نوعی پوشش‌های نانوساختار برای سد حرارتی با عمر چرخه‌ای خوب، هدایت حرارتی پایین‌تر و خواص مکانیکی بهتر نسبت به نوع متداول شدند.
ساخت پوشش‌های نانوساختار با خواص برتر
پژوهشگران دانشگاه صنعتی اصفهان با همکاری دانشگاه مالک اشتر، موفق به تولید نوعی پوشش‌های نانوساختار برای سد حرارتی با عمر چرخه‌ای خوب، هدایت حرارتی پایین‌تر و خواص مکانیکی بهتر نسبت به نوع متداول شدند.
امروزه افزایش راندمان موتورهای پیشرفته هوایی، نیازمند دماهای ورودی بالاتر برای توربین‌های گازی است. این اهداف بزرگ، تنها با به‌کارگیری تکنیک‌های خنک‌سازی گسترده غیر اقتصادی یا به‌کارگیری مواد پیشرفته مقاوم در دمای بالا و یا در حالت خاص، با به‌کارگیری پوشش‌های سد حرارتی (TBCs) حاصل خواهد شد.
به طور عادی پوشش‌های سد حرارتی از یک سیستم دوتایی شامل یک لایه سرامیکی نازک با هدایت حرارتی پایین (به طور مثال، زیرکونیای به طور جزئی پایدار شده به‌وسیله‌ی ایتریا) تحت عنوان پوشش رویی و یک پوشش فلزی مقاوم به خوردگی و اکسیداسیون، که بهبود دهنده چسبندگی سرامیک به زیرلایه نیزهست و به آن آستری گفته می‌شود، تشکیل شده است. زیرکونیا به چندین علت مورد استفاده قرار می‌گیرد که از آن جمله می‌توان به هدایت حرارتی پایین، پایداری حرارتی در اتمسفر اکسید کننده، دمای بالای احتراق، ضریب انبساط حرارتی بالا و قابلیت پوشش‌دهی اقتصادی آن بر روی قطعات فلزی اشاره کرد.
پوشش‌های نانوساختار TBC نسبت به پوشش‌های معمول دارای عمر چرخه‌ای خوب، هدایت حرارتی پایین‌ترو خواص مکانیکی بهتر است. پوشش‌های معمولی و نانوساختار YSZ، دو عیب مهم ناپایداری فاز در دمای بالای C° ۱۲۰۰ و حساسیت به خوردگی داغ در حضور ناخالصی وانادات دارند؛ لذا ساخت پوشش نانوساختار SYSZ برای اهداف رسیدن به پایداری فاز دما بالا (تا ۱۴۰۰ درجه سانتی گراد) و کم کردن حساسیت پوشش TBC به خوردگی داغ ضروری به نظر می‌رسد.
ایتریا (Y2O3)، سریا(Ce2O3)، اسکاندیا(Sc2O3)، ایندیا(In2O3) وMgO و CaO از جمله معروفترین موادی هستند که برای پایدار کردن زیرکونیا استفاده می‌شود. به‌تازگی، استفاده از دو پایدار‌کننده برای دستیابی به خواص بهتر و طول عمر بیشتر پوشش سد حرارتی مورد توجه محققان قرار گرفته است.
تحقیقات نشان داده است که پوشش پلاسما اسپری SYSZ، پایداری حرارتی و مقاومت به خوردگی داغ بیشتری نسبت بهYSZ و SSZ دارد ولی تاکنون پژوهشی در مورد خواص پوشش SYSZ نانوساختار انجام نشده است. در این پژوهش از روش سل-ژل پچینی اصلاح شده، که یک روش کاربردی، آسان و کم هزینه است، برای تولید پودر نانوساختار SYSZ در مقیاس بالا استفاده شد. اساس ایجاد ژل در روش پچینی معمولی، تولید ژل پلی استری از طریق آب‌زدایی بین یک آلفا هیدروکسی کربوکسیلیک اسید (مانند سیتریک اسید) و یک الکل چند عاملی (مانند اتیلن گلیکول) است.
در این پژوهش، از مخلوط آب و اتیلن گلیکول مونوبوتیل اتر استفاده شد که باعث می‌شود زمان تشکیل ژل نسبت به پچینی متداول به نصف کاهش یابد و همچنین میزان آگلومراسیون نانوذرات نسبت به پچینی متداول کاهش یابد.
محمد رضا لقمان استرکی، دانشجوی دکترای نانومواد دانشگاه صنعتی اصفهان، با بیان افزایش پایداری فاز و مقاومت به خوردگی داغ پوشش سد حرارتی نانوساختار SYSZ به عنوان هدف این تحقیقات، در مورد مراحل انجام این پژوهش نیز گفت برای رسیدن به هدف خود مراحل زیر باید انجام شود:
۱- ساخت و مشخصه‌یابی نانوپودر زیرکونیای پایدار شده با اسکاندیا و ایتریا (SYSZ) در مقیاس بالا
۲- تولید پودرهای آگلومره نانوساختار SYSZ
3- تولید پوشش‌های نانوساختار سد حرارتی با پایداری قاز تا C° ۱۴۰۰، با زیر پوشش MCrAlY به روش پاشش پلاسما اسپری برروی سوپر آلیاژ پایه نیکل.
۴- بررسی متالوژیکی و کریستالوگرافی ساختار پوشش، قبل و بعد از فرایند خوردگی داغ، جهت تعیین اثر اجزاء نانو ساختار بر تغییرات ترکیبی و ساختاری پوشش و مقایسه نتایج به دست آمده با پوشش متداول YSZ
5- ارزیابی ظرفیت عایق‌سازی حرارتی پوشش و مقایسه نتایج به دست آمده با پوشش متداول YSZ
به گفته لقمان استرکی، پوشش‌های نانوساختار TBC تولید شده نسبت به پوشش‌های معمول دارای عمر چرخه‌ای خوب، هدایت حرارتی پایین‌ترو خواص مکانیکی بهتر است.
استفاده از این پوشش، امکان استفاده از سوخت‌های غیر مرغوب با خلوص کم برای توربین‌ها را فرهم می‌سازد. همچنین به دلیل پایداری فاز دما بالای آن، امکان بالا بردن دمای توربین‌ها و افزایش راندمان توربین‌ها را میسر می‌کند.
نتایج اخیر این کار تحقیقاتی که به دست محمد رضا لقمان استرکی، دکتر ادریس از دانشگاه صنعتی اصفهان و دکتر شجاع رضوی از دانشگاه مالک اشتر اصفهان صورت گرفته است، در مجله‌های CrystEngComm. (جلد ۲۹، سال ۲۰۱۳، صفحات ۵۸۹۸ الی ۵۹۰۹) و Ceram. Int (در حال چاپ، موجود به صورت آنلاین در سایت مجله سرامیک اینترنشنال) منتشرشده است.
