Onderzoekers hebben aangetoond, Voor de eerste keer, dat een optische analysemethode zwakke plekken kan blootleggen in keramische thermische barrièrecoatings die straalmotorturbines beschermen tegen hoge temperaturen en slijtage. De techniek zou kunnen worden gebruikt om te voorspellen hoe lang coatings meegaan in een vliegtuig en uiteindelijk kunnen leiden tot nieuwe thermische barrièrecoatings, motoren efficiënter te maken en zowel de kosten als de vervuiling van vliegreizen te verminderen.

De levensduur van een thermische barrièrecoating die wordt gebruikt op turbinebladen van vliegtuigen kan sterk variëren van slechts 1 000 uur tot 10, 000 uur bij volledige turbinestuwkracht, zelfs als de coating op exact dezelfde manier wordt aangebracht. Omdat de levensduur onvoorspelbaar is en falen tijdens de vlucht catastrofaal kan zijn, turbinebladen zijn gepland voor vervanging op basis van de kortst geschatte levensduur.

"Onze techniek voor spanningsmeting kan de coatings onmiddellijk na productie analyseren en werken om de turbinebladen te identificeren die het langst meegaan in het vliegtuig, " zei de leider van het onderzoeksteam, Andrew J. Moore, van de Heriot-Watt Universiteit, VK. "Uiteindelijk, we willen een beeldvormingsapparaat ontwikkelen dat de spanningsverdeling in de coating van een volledig turbineblad laat zien, informatie die zou worden gebruikt om te beslissen of dat turbineblad in gebruik zou worden genomen."

In het tijdschrift The Optical Society Optica Express , de onderzoekers toonden aan dat veranderingen in de brekingsindex, een maat voor hoe snel licht door een materiaal gaat, kon worden waargenomen wanneer een stuk metaal bedekt met een keramische thermische barrièrecoating op een gecontroleerde manier werd getrokken. Moore's onderzoeksteam werkt samen met Rolls-Royce, een toonaangevende fabrikant van straalmotoren.

"Als we kunnen correleren hoe de spanningsverdeling verband houdt met de levensduur van de coating, dan kunnen we bepalen welke coatings als eerste falen en niet in een vliegtuig mogen en welke veel langer meegaan, ", zei Moore. "Dit zou de tijd tussen de diensten aanzienlijk verlengen, wat een enorme besparing zou opleveren."

De nieuwe techniek kan ook worden gebruikt om de levensduur te voorspellen van coatings die zijn ontwikkeld om betrouwbaarder te zijn of hogere temperaturen te verdragen, waardoor motoren efficiënter kunnen draaien. Het kan ook worden gebruikt in automobiel- en kernenergietoepassingen waar keramiek ook wordt gebruikt als thermische barrières.

Door ondoorzichtige materialen kijken

Het gebruik van gigahertz (GHz) verlichting was de sleutel tot de nieuwe techniek omdat deze golflengten door sommige ondoorzichtige materialen kunnen reizen, zoals keramiek, waardoor analyse vanuit het materiaal mogelijk is. Zichtbare golflengten, anderzijds, kan alleen worden gebruikt voor oppervlakteanalyse van ondoorzichtige materialen.

De onderzoekers testten hun techniek met stukjes metaal die werden bespoten met dezelfde keramische coatings die op Rolls Royce-turbinebladen worden gebruikt. Ze stopten de stukken in een trekmachine die spanning uitoefende door langzaam aan het metaal te trekken. Onderzoekers pasten vervolgens GHz-verlichting (280-380 GHz) toe tijdens het proces, die door de keramische coating reisde en weerkaatste van het metaal eronder. Het gereflecteerde licht werd vervolgens gemeten met een polariscoop om te bepalen hoe de brekingsindex van het keramiek veranderde met de uitgeoefende spanning. Hoewel de huidige optische opstelling van het team alleen puntgebaseerde metingen verwerft, de onderzoekers zeggen dat de techniek kan worden gebruikt met een beeldopstelling om een ​​volledig mes te analyseren.

"Met de GHz-verlichting konden we veranderingen in de brekingsindex zien met toegepaste spanning, "zei Moore. "Dit toont aan dat onze aanpak in de toekomst zou kunnen worden toegepast voor kwaliteitsborging."

De onderzoekers zijn onlangs begonnen te experimenteren met het gebruik van verlichting met een hogere frequentie in het terahertz (THz) bereik, wat de ruimtelijke resolutie van de techniek zou kunnen verbeteren. In samenwerking met Cranfield University, VK, ze gebruiken hun techniek ook om spanningsmetingen te doen van keramisch gecoate metalen monsters die versnelde veroudering ondergaan. "We zullen kijken wanneer de coatings falen en dat vervolgens correleren met GHz- en THz-metingen die we voorafgaand aan het verouderingsproces hebben gedaan, " zei Moore. "Dit is een stap in de richting van het gebruik van onze techniek om te identificeren welke coatings het eerst falen."