Bepaalde secties van aero-gasturbinemotoren, die veel worden gebruikt in vliegtuigen, bereiken regelmatig temperaturen boven de 1, 200 °C. Onnodig te zeggen, alle materialen die in dergelijke ruwe omgevingen worden gebruikt, moeten duurzaam en bestand zijn tegen de taak. Keramische matrixcomposieten gemaakt van siliciumcarbide (SiC) hebben onlangs belangstelling gekregen als veelbelovende kandidaten voor gasturbinemotoren. Echter, deze materialen hebben een hittebestendige coatinglaag nodig om oxidatie van SiC en daaropvolgende verdamping van SiO . te voorkomen ₂ , dat is een proces dat leidt tot een afname van het materiaalvolume en, daarom, structurele gebreken zoals grote scheuren of het afbladderen van de bovenste laag.

Helaas, bestaande coatinglagen kunnen deze oxidatie tot SiO . niet volledig voorkomen ₂ omdat zuurstof kan doordringen door microscopisch kleine scheurtjes in deze lagen of door eenvoudige diffusie.

Om dit probleem aan te pakken, sommige wetenschappers hebben zich gericht op het gebruik van ytterbiumsilicide (Yb-Si) als coatingmateriaal omdat Yb-Si hoge smeltpunten kan bereiken en hun oxiden voornamelijk Yb-silicaten zijn, die als een oxidelaag vast blijven zitten en niet gemakkelijk verdampen. Echter, er is niet veel bekend over de fundamentele verschijnselen die plaatsvinden in deze materialen bij hoge temperaturen in lucht- of waterdampomgevingen.

In een recente studie gepubliceerd in Intermetalen , een team van wetenschappers, waaronder Junior Associate Professor Ryo Inoue, Universitair docent Yutaro Arai en professor Yasuo Kogo van de Tokyo University of Science, en senior onderzoeker Takuya Aoki van het Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) - wilden de oxidatiemechanismen in Yb-Si begrijpen. Ze voerden verschillende experimenten uit om inzicht te krijgen in het oxidatiegedrag (en degradatie) van verschillende Yb-Si-coatings bij hoge temperaturen onder drie soorten atmosferen:lucht, waterdamp, en een mengsel van beide.

Door middel van röntgendiffractieanalyse, energie dispersieve spectroscopie, en scanning elektronenmicroscopie, de wetenschappers waren in staat om de morfologie en samenstelling van de Yb-Si-monsters nauwkeurig te visualiseren en te kwantificeren voor en na de hitteblootstellingstests. Een van de belangrijkste bevindingen was dat de Yb tot Si-verhouding een belangrijke rol speelde bij het bepalen van het oxidatiegedrag van het materiaal; Yb ₅ Si3 oxideerde meer dan Yb ₃ Si ₅ vanwege de preferentiële oxidatie van Yb in silicide. Bovendien, de hoeveelheid oxide nam aanzienlijk af in meer waterdamprijke atmosferen.

Het belangrijkste is, de onderzoekers onderzochten de mechanismen waarmee het ytterbiumgehalte de vorming van SiO . kan beïnvloeden ₂ . "Na blootstelling aan hitte van beide siliciden in stoom, we hebben SiO . gevonden ₂ in Yb ₅ Si ₃ , terwijl Si eigenlijk nog steeds aanwezig was in Yb ₃ Si ₅ , " merkt Dr. Inoue op, die de studie leidde. "Onze analyses geven aan dat SiO ₂ groei wordt onderdrukt in Yb ₃ Si ₅ omdat SiO ₂ neemt deel aan, en is de beperkende factor van, reacties die Yb-silicaten vormen, " voegt hij eraan toe. Hoewel de exacte tussenreacties die leiden tot de vorming van de verschillende Yb-silicaten nog niet volledig zijn begrepen, het team presenteerde twee zeer mogelijke reactieroutes. Dit zal waarschijnlijk worden verduidelijkt door toekomstige studies met nog meer gedetailleerde karakteriseringstechnieken.

Algemeen, deze studie geeft zinvol inzicht in wat er gebeurt tijdens de oxidatie van Yb-Si, die zal helpen bij de ontwikkeling van beschermende coatings voor aero-gasturbinemotoren. "Als er een coating kan worden gerealiseerd die bestand is tegen ruwere omgevingen, motoronderdelen worden hittebestendiger, wat natuurlijk leidt tot een hoger motorrendement, " merkt Dr. Inoue op.

Hopelijk, verdere vooruitgang in de coatingtechnologie zal de transportkosten en het brandstofverbruik in de lucht verminderen, vliegen goedkoper en minder belastend voor het milieu.