К сожалению, существующие слои покрытия не могут полностью предотвратить это окисление до SiO2, потому что кислород может проникать через микроскопические трещины в этих слоях или путем простой диффузии.
Чтобы решить эту проблему, некоторые ученые сосредоточились на использовании силицида иттербия (Yb-Si) в качестве материала покрытия, потому что Yb-Si может достигать высоких температур плавления, а их оксиды в основном представляют собой силикаты Yb, которые остаются прикрепленными в виде оксидного слоя и не удерживаются. легко испаряется. Однако мало что известно о фундаментальных явлениях, которые происходят в этих материалах при высоких температурах в среде воздуха или водяного пара.
В недавнем исследовании, опубликованном в Intermetallics, группа ученых, в которую вошли младший адъюнкт-профессор Рио Иноуэ, доцент Ютаро Араи и профессор Ясуо Кого из Токийского университета науки, и старший научный сотрудник Такуя Аоки из Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA), установили чтобы понять механизмы окисления в Yb-Si. Они провели множество экспериментов, чтобы получить представление об окислительном поведении (и разложении) различных покрытий Yb-Si при высоких температурах в трех типах атмосфер: воздух, водяной пар и смесь обоих.
С помощью рентгеноструктурного анализа, энергодисперсионной спектроскопии и сканирующей электронной микроскопии ученые смогли точно визуализировать и количественно оценить морфологию и состав образцов Yb-Si до и после испытаний на тепловое воздействие.
Один из основных выводов заключался в том, что отношение Yb к Si играет важную роль в определении окислительного поведения материала; Yb5Si3 окисляется больше, чем Yb3Si5 из-за преимущественного окисления Yb в силициде. Кроме того, количество оксидов значительно уменьшилось в более насыщенной водяным паром атмосфере.
Что наиболее важно, исследователи изучили механизмы, с помощью которых содержание иттербия может влиять на образование SiO2. «После теплового воздействия на оба силицида в паре мы обнаружили SiO2 в Yb5Si3, тогда как Si на самом деле все еще присутствовал в Yb3Si5», – отмечает д-р Иноуэ, руководивший исследованием. «Наш анализ показывает, что рост SiO2 подавляется в Yb3Si5, потому что SiO2 участвует в реакциях, образующих силикаты Yb, и является их ограничивающим фактором», – добавляет он. Хотя точные промежуточные реакции, которые приводят к образованию различных Yb-силикатов, еще полностью не изучены, команда представила два весьма возможных пути реакции. Это, вероятно, будет прояснено в будущих исследованиях с еще более детальными методами характеризации.
В целом, это исследование дает содержательное представление о том, что происходит во время окисления Yb-Si, что поможет в разработке защитных покрытий для авиационных газотурбинных двигателей. «Если будет реализовано покрытие, способное выдерживать более суровые условия окружающей среды, детали двигателя станут более термостойкими, что, естественно, приведет к более высокому КПД двигателя», – отмечает д-р Иноуэ.
Будем надеяться, что дальнейшие достижения в области технологий нанесения покрытий снизят расходы на воздушную транспортировку и потребление топлива, сделав полеты дешевле и менее вредными для окружающей среды.