I processi di ossidazione nel siliciuro di itterbio dipendono fortemente dalla quantità di aria nell'ambiente, come evidenziato dalle immagini al microscopio elettronico a scansione e dai picchi di diffrazione dei raggi X. Credito:Ryo Inoue della Tokyo University of Science
Alcune sezioni di motori aeronautici a turbina a gas, che sono ampiamente utilizzati negli aerei, raggiungere regolarmente temperature superiori a 1, 200°C. Inutile dire, tutti i materiali utilizzati in ambienti così difficili devono essere durevoli e all'altezza del compito. I compositi a matrice ceramica realizzati in carburo di silicio (SiC) hanno recentemente raccolto interesse come candidati promettenti per i motori delle turbine a gas. Però, questi materiali richiedono uno strato di rivestimento resistente al calore per prevenire l'ossidazione del SiC e la successiva evaporazione del SiO 2 , che è un processo che porta ad una diminuzione del volume del materiale e, perciò, difetti strutturali come grandi crepe o sfaldamento dello strato più superficiale.
Sfortunatamente, gli strati di rivestimento esistenti non possono impedire completamente questa ossidazione a SiO 2 perché l'ossigeno può permeare attraverso crepe microscopiche in questi strati o per semplice diffusione.
Per affrontare questo problema, alcuni scienziati si sono concentrati sull'uso del siliciuro di itterbio (Yb-Si) come materiale di rivestimento perché l'Yb-Si può raggiungere punti di fusione elevati e i suoi ossidi sono principalmente silicati di Yb, che rimangono attaccati come uno strato di ossido e non evaporano facilmente. Però, non si sa molto sui fenomeni fondamentali che si verificano in questi materiali ad alte temperature in ambienti sia di aria che di vapore acqueo.
In un recente studio pubblicato su intermetallici , un team di scienziati, tra cui il Professore Associato Junior Ryo Inoue, L'assistente professor Yutaro Arai e il professor Yasuo Kogo della Tokyo University of Science, e il ricercatore senior Takuya Aoki della Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) hanno cercato di comprendere i meccanismi di ossidazione in Yb-Si. Hanno condotto una serie di esperimenti per ottenere informazioni sul comportamento di ossidazione (e sulla degradazione) di diversi rivestimenti Yb-Si ad alte temperature in tre tipi di atmosfere:aria, vapore acqueo, e una miscela di entrambi.
Trovare materiale resistente al calore sicuro e di lunga durata per le parti ad alta temperatura dei motori a turbina a gas degli aerei è la chiave per costruire velivoli migliori. Credito:Robert Bye su Unsplash
Attraverso l'analisi di diffrazione dei raggi X, spettroscopia a dispersione di energia, e microscopia elettronica a scansione, gli scienziati sono stati in grado di visualizzare e quantificare accuratamente la morfologia e la composizione dei campioni di Yb-Si prima e dopo i test di esposizione al calore. Uno dei risultati principali è stato che il rapporto Yb/Si è stato un fattore importante nella definizione del comportamento di ossidazione del materiale; Yb 5 Si3 ossidato più di Yb 3 si 5 a causa dell'ossidazione preferenziale di Yb in siliciuro. Inoltre, la quantità di ossido diminuiva notevolmente nelle atmosfere più ricche di vapore acqueo.
Più importante, i ricercatori hanno esplorato i meccanismi con cui il contenuto di itterbio può influenzare la formazione di SiO 2 . "Dopo l'esposizione al calore di entrambi i siliciuri nel vapore, abbiamo trovato SiO 2 in Yb 5 si 3 , mentre Si era effettivamente ancora presente in Yb 3 si 5 , " osserva il dottor Inoue, che ha condotto lo studio. "Le nostre analisi indicano che SiO 2 la crescita è soppressa in Yb 3 si 5 perché SiO 2 partecipa, ed è il fattore limitante di, reazioni che formano Yb-silicati, " aggiunge. Sebbene le esatte reazioni intermedie che portano alla formazione dei vari Yb-silicati non siano ancora completamente comprese, il team ha presentato due percorsi di reazione altamente possibili. Questo sarà probabilmente chiarito attraverso studi futuri con tecniche di caratterizzazione ancora più dettagliate.
Globale, questo studio fornisce informazioni significative su ciò che accade durante l'ossidazione di Yb-Si, che aiuterà nello sviluppo di rivestimenti protettivi per motori di turbine a gas aeronautiche. "Se è possibile realizzare un rivestimento in grado di resistere agli ambienti più difficili, le parti del motore diventeranno più resistenti al calore, che porta naturalmente a una maggiore efficienza del motore, " commenta il dottor Inoue.
Auspicabilmente, ulteriori progressi nella tecnologia dei rivestimenti ridurranno i costi di trasporto aereo e il consumo di carburante, rendendo il volo più economico e meno dannoso per l'ambiente.
