Οι κινητήρες τζετ και οι τουρμπίνες παραγωγής ενέργειας λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες όταν οι μηχανικοί επικεντρώνονται στην αύξηση της αποδοτικότητας. Όμως, τα μέταλλα, τα κράματα και άλλα υλικά που χρησιμοποιούνται, συχνά φθείρονται.
Ένα νέο κράμα, φτιαγμένο από χρώμιο, μολυβδαίνιο και πυρίτιο -τρία μέταλλα γνωστά για τη δύναμη, την αντοχή στη θερμότητα και τη σταθερότητά τους- ξεπερνά τις προσδοκίες, παραμένοντας ανθεκτικό σε θερμοκρασία δωματίου ενώ αντιστέκεται στην οξείδωση ακόμη και σε ακραία θερμότητα.
Η μελέτη αναφέρει ελαστικότητα σε θερμοκρασία δωματίου, αντοχή στην οξείδωση στον αέρα έως τους 1.100 °C και σημείο τήξης κοντά στους 2.000 °C. Η αύξηση της θερμοκρασίας λειτουργίας της τουρμπίνας αυξάνει τη θερμική απόδοση, καθώς ωθεί τον κύκλο Brayton, την θερμοδυναμική διεργασία που κινεί τους κινητήρες αεροσκαφών και τις τουρμπίνες αερίου, πιο κοντά στα όριά του.
Η απόδοση του κύκλου αυξάνεται με την αναλογία θερμοκρασίας εισόδου της τουρμπίνας, γι’ αυτό και κάθε επιπλέον βαθμός μετράει. Η ηλεκτρική πρόωση βελτιώνεται, ωστόσο οι μπαταρίες εξακολουθούν να υστερούν σε ενέργεια ανά λίβρα, για πτήσεις μεγάλων αεροσκαφών.
Αναλυτές στο Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (NREL) σημειώνουν ότι η ηλεκτρική πρόωση λειτουργεί καλά για σύντομες διαδρομές, αλλά παραμένει μη πρακτική για πτήσεις μεγάλων αποστάσεων.
Οι σημερινές μπαταρίες δεν μπορούν να αποθηκεύσουν αρκετή ενέργεια χωρίς να προσθέσουν υπερβολικό βάρος, συνεπώς, χρειάζονται σημαντικές εξελίξεις στον σχεδιασμό και την αποδοτικότητα των μπαταριών, προτού τα ηλεκτρικά αεροσκάφη μπορέσουν να διαχειριστούν ταξίδια μεγάλων αποστάσεων.
Τι κάνει το μεταλλικό κράμα διαφορετικό
Τα περισσότερα ανθεκτικά μέταλλα, μια κατηγορία στοιχείων που μπορούν να αντέξουν σε εξαιρετικά υψηλά σημεία τήξης, παραμορφώνονται ή θρυμματίζονται υπό την επίδραση του οξυγόνου σε μέτρια θερμοκρασία, ενώ πολλά γίνονται εύθραυστα όταν ψύχονται. Το νέο αυτό κράμα αποφεύγει και τα δύο προβλήματα, χρησιμοποιώντας μια μονοφασική κυβική δομή με κέντρο σώματος (body centered cubic – BCC), που παραμένει επεξεργάσιμη ενώ αντιστέκεται στη χημική προσβολή σε υψηλές θερμοκρασίες.
Η σύνθεση βασίζεται στο χρώμιο και το μολυβδαίνιο με μια μικρή δόση πυριτίου (μόλις το 3% των ατόμων του κράματος είναι πυρίτιο). Αυτή η μικρή προσθήκη πυριτίου ενισχύει τη δημιουργία ενός αργά αναπτυσσόμενου προστατευτικού οξειδίου, χωρίς να σχηματίζονται εύθραυστα διαμεταλλικά πυριτίδια που θα κατέστρεφαν την ανθεκτικότητα του υλικού.
Το υλικό σχηματίζει συνεχές οξείδιο του χρωμίου στην επιφάνεια κατά την έκθεση σε υψηλή θερμοκρασία. Κάτω από αυτό, μια ζώνη πλούσια σε μολυβδαίνιο επιβραδύνει την εισχώρηση του αζώτου και βοηθά στο να μην σχηματίζονται καταστρεπτικά οξείδια.
Η ερευνητική ομάδα σημείωσε ότι αυτή η καινοτομία θα μπορούσε να καταστήσει δυνατή τη σχεδίαση εξαρτημάτων που λειτουργούν αξιόπιστα σε θερμοκρασίες πολύ πάνω από τους 1.100°C.
Οι μετρήσεις δείχνουν παραβολική ανάπτυξη της επιφανειακής κλίμακας στους 800 °C και ανθεκτική συμπεριφορά στους 1.100 °C σε δοκιμές κυκλικής οξείδωσης.
Τα σημερινά όρια
Τα προηγμένα υπερκράματα με βάση το νικέλιο χρησιμοποιούνται στους σύγχρονους κινητήρες, αλλά η ασφαλής θερμοκρασία χρήσης τους στον αέρα γενικά δεν ξεπερνά τους 1.100°C για τα πτερύγια.
Πάνω από αυτή τη θερμοκρασία, η επικάλυψη, η ψύξη και ο σχεδιασμός της μικροδομής δίνουν μια άνιση μάχη απέναντι στη ροπή και την οξείδωση. Οι μηχανικοί αναζητούν εναλλακτικές δεκαετίες τώρα, συμπεριλαμβανομένων συστημάτων μολυβδαινίου και χρωμίου με πυριτίδια. Αυτά τα υλικά αντέχουν στη θερμότητα και την οξείδωση, αλλά σπάνε εύκολα σε θερμοκρασία δωματίου, γεγονός που περιορίζει την κατασκευή και τη διαχείρισή τους.
Το νέο στερεό διάλυμα χρωμίου-μολυβδαίνιου-πυριτίου βρίσκει τη χρυσή τομή. Διατηρεί μια αταξική μονοφασική μήτρα, έτσι ώστε η αντοχή και η ολκιμότητα να παραμένουν σημαντικές σε θερμοκρασία δωματίου.
Στις τουρμπίνες, ακόμη και μια αύξηση θερμοκρασίας γύρω στους 100°C μπορεί να μειώσει την κατανάλωση καυσίμου περίπου κατά 5%. Εάν αυτή η βελτίωση εφαρμοστεί σε ολόκληρους στόλους, θα μπορούσε να εξοικονομήσει τεράστιες ποσότητες καυσίμου και να μειώσει τις εκπομπές, ενώ οι νέες τεχνολογίες πρόωσης συνεχίζουν να αναπτύσσονται.
Το μεταλλικό κράμα που αντιστέκεται στην οξείδωση
Η οξείδωση σε υψηλή θερμοκρασία καταστρέφει πολλά κράματα, επειδή το οξυγόνο διεισδύει και σχηματίζει πορώδεις στιβάδες που ραγίζουν και ξεφλουδίζουν. Οι ενώσεις του μολυβδαίνιου μπορούν να εξατμιστούν ως MoO3, ένα τριοξείδιο μολυβδαίνιου που μετατρέπεται σε ατμό σε υψηλές θερμοκρασίες, με αποτέλεσμα η μάζα να εξατμίζεται κυριολεκτικά από την επιφάνεια.
Οι ερευνητές έχουν αποδείξει ότι τα κράματα μολυβδαίνιου υφίστανται «pesting», μια φθορά που σχετίζεται με τον σχηματισμό του MoO3, εκτός αν προστατεύονται.
Οι ανασκοπήσεις των κραμάτων μολυβδαινίου δείχνουν ότι τα πορώδη στρώματα οξειδίου αφήνουν το MoO3 να διαφύγει ως ατμός, γεγονός που εξηγεί γιατί το pesting, μια μορφή επιφανειακής διάσπασης, είναι τόσο καταστροφική.
Στο κράμα του KIT (Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καρλσρούης), το οξείδιο του χρωμίου, που ονομάζεται επίσης χρωμία, αναπτύσσεται ως ένα πυκνό εξωτερικό στρώμα που επιβραδύνει τη διείσδυση του οξυγόνου προς το εσωτερικό του υλικού. Στη διεπιφάνεια, σχηματίζεται διακριτό πυρίτιο, το οποίο μειώνει περαιτέρω τη δραστηριότητα του οξυγόνου και βοηθά στην προώθηση του οξειδίου του χρωμίου έναντι των πτητικών οξειδίων του μολυβδαινίου.
Καθώς το χρώμιο σχηματίζει το προστατευτικό στρώμα οξειδίου, περισσότερο μολυβδαίνιο συσσωρεύεται ακριβώς κάτω από την επιφάνεια. Αυτή η ζώνη πλούσια σε μολυβδαίνιο εμποδίζει το άζωτο να εισέλθει στο μέταλλο, αποτρέποντας έναν άλλο τύπο βλάβης υψηλής θερμοκρασίας που ονομάζεται νιτρίδωση.
Δύναμη και ολκιμότητα
Οι δοκιμές συμπίεσης σε θερμοκρασία δωματίου δείχνουν ότι το κράμα σκληραίνει κατά την επεξεργασία αντί να θρυμματίζεται στο πρώτο πάτημα. Αυτή η συμπεριφορά υποδηλώνει σημαντική ελαστικότητα, κάτι ασυνήθιστο για τα ανθεκτικά συστήματα που συχνά ραγίζουν σε μέτριες καταπονήσεις.
Στους 900°C, το κράμα εξακολουθεί να αντέχει υψηλές τάσεις πριν αρχίσει να μαλακώνει. Η μονοφασική μήτρα του νέου κράματος αποφεύγει τα εύθραυστα πυριτίδια που είχαν οδηγήσει σε αποτυχία προηγούμενες ιδέες για εφαρμογές σε υψηλές θερμοκρασίες.
Προηγούμενα κράματα χρωμίου-πυριτίου-μολυβδαίνιου χρησιμοποιούσαν δύο φάσεις για να επιτύχουν αντοχή στην οξείδωση, αλλά αυτό είχε κόστος στην ανθεκτικότητα. Παλαιότερες εκδόσεις παρόμοιων κραμάτων έδειξαν ότι οι προστατευτικές στρώσεις οξειδίου μπορούσαν να σχηματιστούν, αλλά τα υλικά αυτά συχνά έχαναν την ευκαμψία τους και γίνονταν εύθραυστα.
Ο νέος μονοφασικός σχεδιασμός λύνει αυτό το πρόβλημα, διατηρώντας και την αντοχή και την ολκιμότητα του υλικού. Ο συνδυασμός της κλίμακας οξειδίου του χρωμίου, του συγκεντρωμένου μολυβδαίνιου κάτω από την επιφάνεια και του πυριτίου στη διεπιφάνεια φαίνεται να είναι η επιτυχημένη συνταγή.
Κάθε στοιχείο παίζει διαφορετικό ρόλο και μαζί επιβραδύνουν την απώλεια μάζας, εμποδίζουν τη νιτρίδωση και διατηρούν το υπόστρωμα άθικτο.
Απ’ τις εργαστηριακές τήξεις στους κινητήρες
Το κράμα παρασκευάστηκε με τήξη τόξου και προσεκτικά ομογενοποιήθηκε για να ελεγχθεί το μέγεθος των κόκκων και η σύνθεση. Η ερευνητική ομάδα παρακολούθησε την αλλαγή μάζας κατά τη διάρκεια της κυκλικής οξείδωσης, μέτρησε το πάχος της στρώσης και διερεύνησε τη διεπιφάνεια με τομογραφία ατομικής ανίχνευσης για χημικούς χάρτες.
Η τήξη κοντά στους 2.000°C αφήνει περιθώριο για τις θερμές ζώνες όπου ο αέρας και τα προϊόντα καύσης επιτίθενται συνεχώς. Η σταθερότητα σε αυτές τις συνθήκες είναι απαραίτητη πριν οι σχεδιαστές εξετάσουν τη χρήση του υλικού σε πραγματικά εξαρτήματα και επιστρώσεις. Η βιομηχανική εφαρμογή θα απαιτήσει περαιτέρω ανάπτυξη πέρα από το εργαστήριο.
Ο ερπυσμός (creep) σε θερμοκρασίες λειτουργίας, η δυνατότητα κατασκευής σε σύνθετα σχήματα με ακρίβεια, η σύνδεση και η συμβατότητα των επιστρώσεων χρειάζονται σαφείς απαντήσεις.
Το όφελος μπορεί να είναι σημαντικό αν αυξηθούν οι ασφαλείς θερμοκρασίες λειτουργίας. Η κατανάλωση καυσίμου μειώνεται, οι εκπομπές μειώνονται και οι μηχανικοί μπορούν να χαλαρώσουν κάποιους περιορισμούς ψύξης που αφαιρούν χρήσιμο έργο.
Τα επόμενα βήματα για το κράμα μετάλλου
Η απόδοση σε συνθήκες ερπυσμού (creep) και καταπόνησης υπό ρεαλιστικές θερμικές διαβαθμίσεις, θα καθορίσει τα όρια μηχανικής αντοχής. Το ίδιο θα κάνει και η αντοχή σε υδρατμούς και προϊόντα καύσης πέρα από τον αέρα του εργαστηρίου, τα οποία μπορούν να αλλάξουν τη χημεία της της κλίμακας (του οξειδίου).
Οι μέθοδοι παραγωγής μέσω σκόνης (powder routes) και η θερμομηχανική επεξεργασία, μπορούν να ρυθμίσουν το μέγεθος και την υφή των κόκκων για καλύτερη αντοχή σε ρωγμές. Αυτά τα βήματα, γνωστά από τα συστήματα νικελίου, θα μπορούσαν επίσης να προσαρμόσουν τη δραστηριότητα ολίσθησης και διπλασιασμού, ώστε να επεκτείνουν την ολκιμότητα.
Η συμβατότητα με υπάρχοντα εξαρτήματα υπερκραμάτων, επικαλύψεις και μεθόδους επισκευής θα καθορίσει τις πρώτες περιπτώσεις χρήσης σε αναβαθμίσεις. Νέοι σχεδιασμοί μπορεί να ακολουθήσουν μόνο μετά τη συγκέντρωση δεδομένων πιστοποίησης σε καλά ελεγχόμενες δοκιμές. Αυτή η προσέγγιση είναι κρίσιμη για τη διασφάλιση της ασφάλειας και της αξιοπιστίας σε τομείς όπως η αεροπορία και η παραγωγή ενέργειας.
Αν το κράμα αποδώσει σε λεπίδες ή πτερύγια πλήρους κλίμακας, ο αντίκτυπος θα επεκταθεί στην αεροπορία και την παραγωγή ενέργειας. Τα καλύτερα υλικά για τα θερμά τμήματα κερδίζουν χρόνο, ενώ τα βιώσιμα καύσιμα και οι ηλεκτρικές αρχιτεκτονικές ενισχύονται εκεί όπου ταιριάζουν καλύτερα.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου