موفقیت محققان کشور در بهبود خواص پوشش‌های سد حرارتی توربین‌های گازی
بسپار می نویسد، محققان پژوهشگاه مواد و انرژی به کمک فناوری نانو، تلاش کرده‌اند که خواص عایق‌های حرارتی مورد استفاده در توربین‌ها و موتورهای حرارتی را بهبود بخشند.
به گزارش ایسنا، 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 به‌خوردگی این عایق و جلوگیری از نفوذ املاح به درون ساختار آن است.
از آنجا که اکسید آلومینیوم دمای ذوب بالایی دارد و در محیط های 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 به‌خوردگی 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 و محقق طرح 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.
وی افزود: به صورت واضح‌تر، ایجاد پوشش‌های کامپوزیت لایه‌ای با لایه رویی متراکم آلومینای میکرو و نانوساختار، به ترتیب باعث افزایش 50 و 100 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.
مباشرپور خاطرنشان کرد: با به کارگیری نتایج این تحقیق و استفاده از آن در پوشش‌های سد حرارتی، اتلاف حرارت کاهش یافته و به طور همزمان دمای میانگین محفظه احتراق موتور دیزلی و توربین گازی افزایش می‌یابد. بعبارتی می‌توان گفت، این نتایج به افزایش ضریب راندمان حرارتی دیزل‌ها و کاهش مصرف سوخت آن‌ها کمک می‌کند.
محقق طرح یادآور شد: 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 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 و کامپوزیت لایه‌ای نانوآلومینا /CSZ، که در آن‌ها آلومینا بعنوان پوشش رویی بود، بر روی سطح TBC ایجاد شد. آزمون شوک حرارتی در دمای 1100 درجه سانتی گراد و آزمون خوردگی داغ با استفاده از نمک مذاب (55 درصد وزنی V2O5 و 45 درصد وزنی Na2SO4) در دمای 1050 درجه سانتی گراد به مدت 40 ساعت روی پوشش‌های مذکور انجام شد.
محقق طرح تصریح کرد: ارزیابی ریزساختار پوشش، آنالیز فازی و عنصری بعد از آزمون‌های شوک حرارتی و خوردگی داغ، توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی مجهز به طیف‌سنج پراش پرتو ایکس و دستگاه پراش پرتو ایکس صورت پذیرفت. آزمون ریزسختی سنجی نیز به منظور بررسی خواص مکانیکی بر روی نمونه‌ها انجام شد.
وی اظهار کرد: نتایج حاکی از آن 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 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 به‌خوردگی داغ پوشش CSZ معمولی را به همراه دارد.
مباشرپور با بیان این که به کمک این نتایج می‌توان به افزایش راندمان حرارتی و طول عمر مفید توربین‌های گازی و موتورهای دیزلی کمک کرد، خاطرنشان کرد: به طور خلاصه، چنانچه عملیات ایجاد پوشش‌های نانوساختار به درستی صورت گیرد، می‌توانند باعث بهبود خواص برای انواع کاربردها از جمله مقاومت به‌سایش، سختی، مدول الاستیک، استحکام چسبندگی، مقاومت به نفوذ حرارتی، مقاومت به شوک حرارتی و مقاومت به اکسیداسیون سیکلی شود.
نتایج این تحقیق که 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، در مجله Ceramics International به چاپ رسیده است.
