Một nhóm nghiên cứu do Đại học Virginia đứng đầu đã phát triển lớp phủ bảo vệ mới cho phép động cơ tuabin chạy ở nhiệt độ cao hơn trước khi các bộ phận bắt đầu hỏng hóc.
Tín dụng: Pixabay/CC0 Public Domain
"Động cơ nóng hơn sẽ hiệu quả hơn", Elizabeth J. Opila, giáo sư, chủ nhiệm Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu tại UVA và là nhà nghiên cứu chính của dự án, cho biết.
Động cơ tuabin được biết đến với chức năng đẩy máy bay, nhưng tuabin cố định có nhiều ứng dụng trong công nghiệp, bao gồm cả phát điện. Chúng đốt nhiên liệu để quay các cánh tuabin, chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện.
"Bạn sẽ có nhiều công suất đầu ra hơn trên mỗi nhiệt lượng đầu vào ở nhiệt độ cao hơn", Opila cho biết. "Những lợi ích tiềm năng thúc đẩy sự quan tâm đến lớp phủ đóng vai trò như một rào cản chống lại các khí phản ứng sinh ra do quá trình đốt cháy ở nhiệt độ cao này có thể làm hỏng các cánh tua bin".
Hiệu quả chuyển thành mức tiêu thụ nhiên liệu ít hơn và giảm lượng khí thải và chi phí vận hành. Họ đã công bố phát hiện của mình trên ấn bản tháng 10 của Scripta Materialia.
Giới hạn của vật liệu chịu nhiệt độ cao ngày nay
Ngày nay, có hai hệ thống vật liệu chính được sử dụng trong phần nóng của động cơ tua-bin:
Siêu hợp kim gốc niken phủ có thể chịu được nhiệt độ lên đến khoảng 2.200°F—thấp hơn nhiều so với mục tiêu gần 3.300°F của DOE.
Vật liệu composite gốm sử dụng nhiều lớp phủ để bảo vệ chống lại sự phân hủy do oxy hóa, một phản ứng hóa học xảy ra khi tiếp xúc với không khí và độ ẩm. Tuy nhiên, các hệ thống này bị giới hạn bởi nhiệt độ nóng chảy của một lớp, silicon, nóng chảy ở 2.577°F.
Nhóm do UVA dẫn đầu đã tập trung vào một lựa chọn vật liệu khác gọi là hợp kim kim loại chịu lửa. Kim loại chịu lửa đã được nghiên cứu rộng rãi vào những năm 1960. Mặc dù bền và chịu nhiệt, nhưng chúng đã bị loại bỏ do khả năng chống oxy hóa kém.
Để bảo vệ hợp kim, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm với oxit đất hiếm - hợp chất hóa học có đặc tính bảo vệ mạnh mẽ tự nhiên - để tạo ra một lớp phủ có thể làm được mọi thứ.
Kristyn Ardrey, cựu sinh viên tiến sĩ của phòng thí nghiệm Opila và là tác giả đầu tiên của bài báo, cho biết: "Bằng cách kết hợp nhiều oxit đất hiếm, có thể đạt được các đặc tính tùy chỉnh để bảo vệ tốt hơn lớp nền bên dưới chỉ bằng một lớp duy nhất". "Điều này cho phép chúng tôi đạt được hiệu suất tốt hơn mà không cần lớp phủ nhiều lớp phức tạp".
Một cách tiếp cận nhóm đa ngành
Phòng thí nghiệm của Opila đã tạo ra và thử nghiệm các kết hợp mới của các nguyên tố đất hiếm, chẳng hạn như yttri, erbi và ytterbi. Để dự đoán các kết hợp tốt nhất và cải thiện hiệu suất, họ đã làm việc với các phó giáo sư của UVA là Bi-Cheng Zhou và Prasanna Balachandran, những người có phòng thí nghiệm chuyên về mô phỏng máy tính và học máy, một dạng trí tuệ nhân tạo.
Nhóm nghiên cứu đã áp dụng lớp phủ lên hợp kim bằng hai phương pháp sản xuất tiêu chuẩn. Một kỹ thuật làm nóng vật liệu đến trạng thái nóng chảy trước khi phun lên bề mặt. Kỹ thuật còn lại được áp dụng dưới dạng hỗn hợp lỏng khô và cứng lại. Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm và so sánh hiệu quả của từng phương pháp trong điều kiện nhiệt độ cực cao và phản ứng, chẳng hạn như tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ cao.
Họ cũng hợp tác với Phòng thí nghiệm ExSiTE của Giáo sư Patrick Hopkins thuộc UVA, chuyên sử dụng tia laser để đo khả năng chịu nhiệt và độ bền vật liệu.
"Đây là một nỗ lực hợp tác", Opila cho biết. "Sử dụng máy học và các phương pháp tính toán cho phép chúng tôi khám phá một loạt lớn các kết hợp vật liệu có thể có, và phòng thí nghiệm của Patrick đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu các đặc điểm vật lý của các vật liệu mà chúng tôi phát triển".
Còn nhiều việc phải làm
Là một trong những nhóm nghiên cứu đầu tiên thử nghiệm với oxit đất hiếm đa thành phần, nhóm biết rằng cần phải thử nghiệm và tinh chỉnh nhiều hơn nữa. Sử dụng mô phỏng máy tính sẽ giúp họ tiếp tục cải thiện lớp phủ và phân tích những cách tốt nhất để áp dụng chúng.
Nhưng kết quả của họ đại diện cho một bước tiến quan trọng trong công nghệ động cơ tua-bin—và điều đó có lợi cho tất cả mọi người.
"Giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải trong khi cải thiện hiệu suất động cơ không chỉ tốt cho các ngành công nghiệp như năng lượng và hàng không", Opila cho biết. "Nó cũng có nghĩa là môi trường sạch hơn và chi phí thấp hơn cho người tiêu dùng hàng ngày".
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
