一个多元化的研究团队创造了创新的保护涂层，使涡轮发动机能够在高温下运行，为环境和人类健康提供潜在好处。
来自弗吉尼亚大学的一个研究团队设计了新的涂层，使涡轮发动机在任何部件开始失效之前能够在较高温度下运行。
“在更高温度下运行的发动机更高效，”该项目的主要研究者、弗吉尼亚大学材料科学与工程系的教授兼主任伊丽莎白·J·奥皮拉提到。
涡轮发动机通常与飞机动力相关，但它们也用于静态应用，如电力生成。这些发动机燃烧燃料使涡轮叶片旋转，将机械能转化为电能。
“更高的温度可以提高热输入的工作输出效率，”奥皮拉解释道。“这一潜力引起了人们对涂层的兴趣，以保护涡轮叶片免受在这些高温下燃烧产生的有害气体的伤害。”
提高的效率导致燃料使用减少、排放降低和运营成本降低，这也是美国能源部的ARPA-E ULTIMATE计划支持该团队工作的原因之一。他们的研究结果发表在《材料文献》十月刊上。
当前高温材料面临的挑战
目前，涡轮发动机热部分使用两种主要类型的材料：
- 涂层镍基超合金能够承受约2200°F的高温，仍然远低于美国能源部接近3300°F的目标。
- 陶瓷复合材料利用多个涂层来抵御氧化损伤，这是一种在暴露于空气和潮湿时发生的化学反应。然而，这些系统受限于硅的熔点，该涂层在2577°F时熔化。
由弗吉尼亚大学领导的团队研究了一种不同类型的材料，称为耐火金属合金。虽然这些金属在1960年代因其耐用性和耐热性得到了广泛研究，但由于氧化抗力不足而被大多忽视。
研究人员的目标是通过测试稀土氧化物——具有显著强大保护特性的天然化合物——来保护这些合金，从而开发出一种多功能涂层解决方案。
“通过合并多种稀土氧化物，我们可以仅用一层涂层增强基础基材的保护性，”奥皮拉实验室的博士毕业生、研究的主要作者克里斯廷·阿德雷表示。“这种方法使我们能够提高性能，而不依赖于复杂的多层涂层。”
协作团队努力
奥皮拉的实验室设计和分析了稀土元素的新组合，如钇、铒和镱。为了确定最有效的组合并提高性能，他们与弗吉尼亚大学副教授周碧城和普拉萨纳·巴拉昌德兰合作，他们专注于计算机模拟和机器学习方法。
该团队通过两种成熟的制造技术将涂层应用于合金。第一种方法涉及将材料加热至熔化后喷涂，而第二种方法使用液体混合物，在施加后干燥和固化。研究人员在极端高温和反应性环境（如暴露于高温蒸汽）下评估了每种方法的有效性。
他们还与弗吉尼亚大学的帕特里克·霍普金斯教授的ExSiTE实验室合作，该实验室专注于使用激光测量耐热性和材料强度。
“这真的是一次合作的努力，”奥皮拉说。“机器学习和计算技术的使用使我们能够检查各种潜在材料组合，而帕特里克的实验室在评估我们所创造材料的物理特性方面发挥了关键作用。”
进一步改进需要
作为测试多组分稀土氧化物的先驱研究小组之一，该团队认识到额外的测试和改进是必需的。他们计划使用计算机模拟继续优化涂层，并探索最有效的应用方法。
尽管如此，他们的研究成果标志着涡轮发动机技术的重大进展，惠及所有相关方。
“在提高发动机效率的同时最小化燃料使用和排放不仅对能源和航空等行业有益，”奥皮拉总结道。“这也有助于改善环境并降低日常消费者的成本。”
