محققان پژوهشگاه مواد و انرژی به کمک فناوری نانو، تلاش نموده‌اند که خواص عایق‌های حرارتی مورد استفاده در توربین‌ها و موتورهای حرارتی را بهبود بخشند. به کمک این نتایج می‌توان به افزایش راندمان حرارتی و طول عمر مفید توربین‌های گازی و موتورهای دیزلی کمک کرد.
بهبود خواص پوشش‌های سد حرارتی به کمک نانوکامپوزیت توسط محققان پژوهشگاه مواد و انرژی
پوشش سد حرارتی(TBC)، یک عایق حرارتی است که در توربین‌ها و موتورهای گازی به کار گرفته می‌شود. از دیگر وظایف این پوشش، حفاظت از قطعات حرارتی و مکانیکی در برابر خوردگی داغ و فرسایش آن‌ها و در نتیجه افزایش طول عمر این اجزاست. ایجاد یک پوشش بر روی سطح TBC، یکی از بهترین روش‌ها جهت بهبود مقاومت به خوردگی این عایق و جلوگیری از نفوذ املاح به درون ساختار آن است.
از آنجا که اکسید آلومینیوم دمای ذوب بالایی دارد و در محیط‌های شیمیایی از پایداری مناسبی برخوردار است، در این تحقیق تلاش شده است پوشش‌های آلومینا بر روی سطح TBC ایجاد شود. این طرح که با هدف افزایش مقاومت به خوردگی داغ و شوک حرارتی در پوشش‌های سد حرارتی معمولی صورت گرفته است، به بررسی و مقایسه رفتار پوشش‌های مختلف میکرو و نانوساختار آلومینا طی فرایندهای شوک حرارتی و خوردگی داغ پرداخته است.
دکتر ایمان مباشرپور، استادیار پژوهشکده سرامیک پژوهشگاه مواد و انرژی، در توضیح نتایج حاصل شده گفت: «وجود یک لایه متراکم آلومینا روی پوشش، نفوذ اکسیژن و نمک‌های مذاب به داخل ساختار TBC را کاهش می‌دهد. این امر باعث بهبود مقاومت به شوک حرارتی و خوردگی داغ در مقایسه با نمونه TBC معمولی (CSZ) می‌شود. به صورت واضح‌تر، ایجاد پوشش‌های کامپوزیت لایه‌ای با لایه رویی متراکم آلومینای میکرو و نانوساختار، به ترتیب باعث افزایش ۵۰ و ۱۰۰ درصدی مقاومت به شوک حرارتی نسبت به نمونه TBC معمولی شده است. از طرفی، پوشش آلومینای نانوساختار در مقایسه با پوشش آلومینای میکرونی در سیکل‌های شوک حرارتی و خوردگی داغ، پایداری بیشتری از خود نشان می‌دهد».
با به کارگیری نتایج این تحقیق و استفاده از آن در پوشش‌های سد حرارتی، اتلاف حرارت کاهش یافته و به طور هم زمان دمای میانگین محفظه احتراق موتور دیزلی و توربین گازی افزایش خواهد یافت. به عبارتی می‌توان گفت، این نتایج به افزایش ضریب راندمان حرارتی دیزل‌ها و کاهش مصرف سوخت آن‌ها کمک خواهد کرد.
لازم به ذکر است در این تحقیق، پوشش آلومینا به کمک روش پاشش پلاسمایی اتمسفری(APS) ایجاد شده است. این روش، نسبت به روش‌هایی نظیر رسوب‌دهی بخار به کمک پرتو الکترونی، علاوه‌بر بازده بالاتر، هزینه ی کمتری را در بر می‌گیرد.
از آنجا که اکسید آلومینیوم دمای ذوب بالایی دارد و در محیط‌های شیمیایی از پایداری مناسبی برخوردار است، در این تحقیق تلاش شده است پوشش‌های آلومینا بر روی سطح TBC ایجاد شود. این طرح که با هدف افزایش مقاومت به خوردگی داغ و شوک حرارتی در پوشش‌های سد حرارتی معمولی صورت گرفته است، به بررسی و مقایسه رفتار پوشش‌های مختلف میکرو و نانوساختار آلومینا طی فرایندهای شوک حرارتی و خوردگی داغ پرداخته است.
دکتر ایمان مباشرپور، استادیار پژوهشکده سرامیک پژوهشگاه مواد و انرژی، در توضیح نتایج حاصل شده گفت: «وجود یک لایه متراکم آلومینا روی پوشش، نفوذ اکسیژن و نمک‌های مذاب به داخل ساختار TBC را کاهش می‌دهد. این امر باعث بهبود مقاومت به شوک حرارتی و خوردگی داغ در مقایسه با نمونه TBC معمولی (CSZ) می‌شود. به صورت واضح‌تر، ایجاد پوشش‌های کامپوزیت لایه‌ای با لایه رویی متراکم آلومینای میکرو و نانوساختار، به ترتیب باعث افزایش ۵۰ و ۱۰۰ درصدی مقاومت به شوک حرارتی نسبت به نمونه TBC معمولی شده است. از طرفی، پوشش آلومینای نانوساختار در مقایسه با پوشش آلومینای میکرونی در سیکل‌های شوک حرارتی و خوردگی داغ، پایداری بیشتری از خود نشان می‌دهد».
با به کارگیری نتایج این تحقیق و استفاده از آن در پوشش‌های سد حرارتی، اتلاف حرارت کاهش یافته و به طور هم زمان دمای میانگین محفظه احتراق موتور دیزلی و توربین گازی افزایش خواهد یافت. به عبارتی می‌توان گفت، این نتایج به افزایش ضریب راندمان حرارتی دیزل‌ها و کاهش مصرف سوخت آن‌ها کمک خواهد کرد.
لازم به ذکر است در این تحقیق، پوشش آلومینا به کمک روش پاشش پلاسمایی اتمسفری(APS) ایجاد شده است. این روش، نسبت به روش‌هایی نظیر رسوب‌دهی بخار به کمک پرتو الکترونی، علاوه‌بر بازده بالاتر، هزینه ی کمتری را در بر می‌گیرد.
به گفته مباشرپور، در راستای دستیابی به این نتایج، سه نوع پوشش CSZ معمولی (زیرکونیای پایدار شده با سریا)، کامپوزیت لایه‌ای میکروآلومینا/CSZ وکامپوزیت لایه‌ای نانوآلومینا/CSZ ، که در آن‌ها آلومینا به عنوان پوشش رویی بود، بر روی سطح TBC ایجاد شد. آزمون شوک حرارتی در دمای ۱۱۰۰ درجه سانتی گراد و آزمون خوردگی داغ با استفاده از نمک مذاب (۵۵ درصد وزنی V2O5 و ۴۵ درصد وزنی Na2SO4) در دمای ۱۰۵۰ درجه سانتی گراد به مدت ۴۰ ساعت روی پوشش‌های مذکور انجام شد. ارزیابی ریزساختار پوشش، آنالیز فازی و عنصری بعد از آزمون‌های شوک حرارتی و خوردگی داغ، توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی مجهز به طیف سنج پراش پرتو ایکس و دستگاه پراش پرتو ایکس صورت پذیرفت. آزمون ریزسختی سنجی نیز به منظور بررسی خواص مکانیکی بر روی نمونه ها انجام شد.
نتایج حاکی از این است که: پوشش CSZ معمولی، مقاومت کمی در طی دوره شوک حرارتی دارد. در حالی که پوشش کامپوزیت لایه‌ای نانوآلومینا، بالاترین مقاومت به شوک حرارتی را از خود نشان می‌دهد. از طرفی، پوشش CSZ معمولی و کامپوزیت آن با میکروآلومینا، در برابر آزمون خوردگی داغ دچار تخریب می‌شوند؛ ولی هیچ‌گونه نشانه ی خوردگی داغ و تخریبی در پوشش کامپوزیت لایه‌ای نانوآلومینا/CSZ مشاهده نشده است. به عبارتی، نتایج آزمون خوردگی داغ نشان می‌دهد که ایجاد یک لایه متراکم از نانوآلومینا روی پوشش CSZ معمولی، اثر قابل توجهی بر افزایش مقاومت به خوردگی داغ پوشش CSZ معمولی را به همراه خواهد داشت.
نتایج حاکی از این است که: پوشش CSZ معمولی، مقاومت کمی در طی دوره شوک حرارتی دارد. در حالی که پوشش کامپوزیت لایه‌ای نانوآلومینا، بالاترین مقاومت به شوک حرارتی را از خود نشان می‌دهد. از طرفی، پوشش CSZ معمولی و کامپوزیت آن با میکروآلومینا، در برابر آزمون خوردگی داغ دچار تخریب می‌شوند؛ ولی هیچ‌گونه نشانه ی خوردگی داغ و تخریبی در پوشش کامپوزیت لایه‌ای نانوآلومینا/CSZ مشاهده نشده است. به عبارتی، نتایج آزمون خوردگی داغ نشان می‌دهد که ایجاد یک لایه متراکم از نانوآلومینا روی پوشش CSZ معمولی، اثر قابل توجهی بر افزایش مقاومت به خوردگی داغ پوشش CSZ معمولی را به همراه خواهد داشت.
شماتیک نمونه TBC (سه لایه) با پوشش کامپوزیت لایه‌ای نانوآلومینا/CSZ
به طور خلاصه، چنانچه عملیات ایجاد پوشش‌های نانوساختار به درستی صورت گیرد، می توانند باعث بهبود خواص برای انواع کاربردها، از جمله مقاومت به سایش، سختی، مدول الاستیک، استحکام چسبندگی، مقاومت به نفوذ حرارتی، مقاومت به شوک حرارتی و مقاومت به اکسیداسیون سیکلی گردد.
نتایج این تحقیق حاصل همکاری دکتر ایمان مباشرپور، دکتر محمد‌رضا رحیمی‌پور، رییس پژوهشکده سرامیک پژوهشگاه مواد و انرژی، و مهندس مهرداد نجاتی، کارشناس ارشد سرامیک از پژوهشگاه مواد و انرژی، است و در مجله Ceramics International (جلد ۴۰، شماره ۳، ماه آوریل، سال ۲۰۱۴، ۴۵۷۹ تا ۴۵۹۰) به چاپ رسیده است.
