Suihkumoottorin turbiinin siivekkeen materiaalin korvaaminen korkean entropian metalliseoksella

Abstract

Maailmassa on jatkuvasti tarve nopeammille ja tehokkaammille henkilöiden ja rahdin kuljetusvälineille. Tämä koskee myös lentoteollisuutta. Jotta koneiden nopeutta saataisiin nostettua, tarvitaan ratkaisuja laitteiden rakenteissa tai materiaaleissa. Moottoreiden tuottama työntövoima voidaan verrata melko suoraan lämpötilan suuruuteen kyseisessä prosessissa. Koska lämpötilat nousevat nopeuden myötä, nykyiset turbiinin siivekkeen materiaaliratkaisut eivät ole enää käyttökelpoisia tässä tilanteessa, sillä niiden mekaaniset ominaisuudet laskevat liika lämpötilan kasvaessa. Eräs uusi materiaalien tutkimuskohde on korkean entropian metalliseokset, jotka voisivat olla varteen otettava vaihtoehto korvaamaan nykyisin käytettäviä supernikkeliseoksia. Materiaalin tulisi kestää korkeita lämpötiloja mutta samalla olla mahdollisimman kevyttä, jotta polttoaineen kulutus ei kasvaisi painon takia. Tässä opinnäytetyössä keskitytään turbiinin siivekkeeseen, joten siihen kohdistuvat rasitukset ovat tärkeä ymmärtää. Turbiini sijaitsee suihkumoottorissa polttokammion jälkeen, missä suurin lämpötila saavutetaan ja näin ollen rasitukset ovat merkittävimmät. Nykyiset supernikkeliseokset ovat kestäviä ja laajalti käytettyjä turbiinin siivekkeiden valmistamiseen. Kuitenkin niiden sulamislämpötila on melko lähellä nykyisiä polttoaineen palamislämpötiloja. Tämän takia niiden pinnalle on kehitetty keraaminen pinta, jonka lämpöominaisuudet vähentävät metalliin kohdistuvaa termistä rasitusta, jolloin koko komponentti kestää moottorin käyttämisen. Tämän lisäksi siivekkeeseen on valmistettu jäädytyskanavia, joiden kautta suhteellisesti viileämpi ilmavirta kulkee. Tärkeää siivekkeen rakenteelle on sen erilliskiteinen raetyyppi, joka vähentää virumisesta johtuvaa mekaanisten ominaisuuksien heikkenemistä korkeissa lämpötiloissa. Korkean entropian seoksilla on havaittu hyviä mekaanisia ominaisuuksia, kuten suuret kovuudet, hyvä kulutuksenkestävyys sekä korkeat sulamislämpötilat. Nimensä mukaisesti näiden seosten entropiat ovat suuret verrattuna tyypillisiin metalliyhdisteisiin. Seosten valmistamiseen käytetään yleensä viittä tai useampaa metallista alkuainetta, joista saadaan erittäin hyvät ominaisuudet. Korkeaa lämpötilan kestävyyttä saadaan materiaaliin esimerkiksi käyttämällä refraktorimetalleja, kun taas hapettumisen estoa varten alkuaineita, jotka eivät reagoi ympäristön kanssa herkästi. Näin ollen korkean entropian seoksilla saadaan yhdistettyä moni eri ominaisuuksia. Näissä seoksissa vaikeuksia syntyy kuitenkin valmistamisessa. Etenkin hapettuminen ja seoksen komponenttien erkaantuminen ovat rakenteelle haitallisia valmistuksen aikana. Myös erilliskiteen valmistaminen on korkean entropian seoksilla melko vaikeaa. Vaikka korkean entropian seoksista löytyy potentiaali korvaamaan nykyiset materiaaliratkaisut, niiden tutkimusta täytyy lisätä, jotta päästäisiin haluttuihin lopputuloksiin.