Onderzoekers van University West in Zweden zijn begonnen met het gebruik van nanodeeltjes in de warmte-isolerende oppervlaktelaag die vliegtuigmotoren beschermt tegen hitte. Bij testen, dit verhoogde de levensduur van de coating met 300%. Dit is iets dat de vliegtuigindustrie in hoge mate interesseert, en de hoop is dat motoren met de nieuwe lagen binnen twee jaar in productie zullen zijn.

Om de levensduur van vliegtuigmotoren te verlengen, over de metalen onderdelen wordt een warmte-isolerende oppervlaktelaag gespoten. Dankzij deze extra laag de motor is afgeschermd van hitte. De temperatuur kan ook worden verhoogd, wat leidt tot meer efficiëntie, verminderde uitstoot, en een lager brandstofverbruik.

Het doel van de onderzoeksgroep University West is om de structuur van de oppervlaktelaag te kunnen beheersen om de levensduur en het isolerend vermogen te vergroten. In hun werk hebben ze verschillende materialen gebruikt.

"De basis is een keramisch poeder, maar we hebben ook getest met het toevoegen van plastic om poriën te genereren die het materiaal elastischer maken, " zegt Nicholas Curry, die zojuist zijn proefschrift over dit onderwerp heeft gepresenteerd.

Grote druk op het materiaal

De keramische laag staat onder grote spanning wanneer de enorme temperatuurschommelingen het materiaal afwisselend uitzetten en krimpen. Het elastisch maken van de laag is daarom belangrijk. De afgelopen jaren, de onderzoekers hebben zich gericht op het verder verfijnen van de microstructuur, allemaal zodat de laag interessant is voor de industrie om te gebruiken.

"We hebben het gebruik van een laag die is gevormd uit nanodeeltjes getest. De deeltjes zijn zo fijn dat we het poeder niet rechtstreeks op een oppervlak kunnen spuiten. In plaats daarvan, we mengen het poeder eerst met een vloeistof die vervolgens wordt verstoven. Dit wordt suspensieplasmaspraytoepassing genoemd."

Schoktests simuleren temperatuurveranderingen

Dr. Curry en zijn collega's hebben de nieuwe laag sindsdien duizenden keren getest in wat bekend staat als "thermische schoktests" om de temperatuurveranderingen in een vliegtuigmotor te simuleren. Het is gebleken dat de nieuwe coatinglaag minstens drie keer zo lang meegaat als een conventionele laag, terwijl deze een laag warmtegeleidend vermogen heeft.

"Een vliegtuigmotor die langer meegaat hoeft geen dure, tijdrovende "service" zoals vaak; dit bespaart de vliegtuigindustrie geld. De nieuwe technologie is ook aanzienlijk goedkoper dan de conventionele technologie, wat betekent dat meer bedrijven de apparatuur kunnen kopen."

Onderzoek aan University West wordt uitgevoerd in nauwe samenwerking met vliegtuigmotorfabrikant GKN Aerospace (voorheen Volvo Aero) en Siemens Industrial Turbomachinery, die gasturbines maakt. Het idee is dat de nieuwe laag binnen twee jaar in zowel vliegtuigmotoren als gasturbines wordt toegepast.

Wat gebeurt er met het materiaal over langere tijd?

Een van de belangrijkste problemen die de onderzoekers moeten oplossen, is hoe ze kunnen volgen wat er in de loop van de tijd met de structuur van de coating gebeurt, en om te begrijpen hoe de microstructuur in de laag werkt.

"Een conventionele oppervlaktelaag ziet eruit als een sandwich, met laag op laag. De oppervlaktelaag die we met de nieuwe methode produceren, is meer te vergelijken met staande kolommen. Dit maakt de laag flexibeler en beter te monitoren. En het hecht aan het metaal, ongeacht of het oppervlak volledig glad is of niet. Het belangrijkste is niet het materiaal zelf, maar hoe poreus het is, ' zegt dokter Curry.

Hoe het aanbrengen van thermische spray werkt

De oppervlaktelagen op vliegtuigmotoren en gasturbines worden de thermische barrièrecoating genoemd en ze worden vervaardigd met behulp van een methode die thermische spraytoepassing wordt genoemd. Een keramisch poeder wordt bij een zeer hoge temperatuur op een oppervlak gespoten–7, 000 tot 8, 000 graden C – met behulp van een plasmastroom. De keramische deeltjes smelten en slaan op het oppervlak, waar ze een beschermende laag vormen van ongeveer een halve millimeter dik.