Keramické matricové kompozity se letí v tryskovém motoru LEAP

Slováci zo Silicate World vyrábajú keramické ekologické domy šité doslova na mieru (Červen 2019).

Anonim

Materiály s keramickou matricí (CMC) jsou vyrobeny z pokrytých keramických vláken obklopených keramickou matricí. Jsou odolné, lehké a jsou schopné odolávat teplotám o 300-400 stupňů F teplejší než kovové slitiny vydrží. Pokud byly některé komponenty vyrobeny s CMC namísto kovových slitin, turbínové motory letadel a elektráren by mohly pracovat efektivněji při vyšších teplotách, čímž by spalovaly palivo úplněji a vyzařovaly méně znečišťujících látek.

Před čtyřmi stoletím zahájilo Ministerstvo energetiky USA program pod vedením DOE Oak Ridge National Laboratory, který podpořil vývoj materiálů CMC v USA. V roce 2016 se LEAP, nový letecký motor, stal prvním široce nasazeným produktem obsahujícím CMC. CFM International, společný podnik 50/50 společností Safran a GE, vyrábí společnost LEAP.

Motor má jednu součást CMC, turbínový plášť obložený svou nejžhavější zónou, takže může pracovat až do 2400 F. CMC potřebuje méně chladicího vzduchu než superzliatiny na bázi niklu a je součástí sady technologií, které přispívají k 15 procentní úspora paliva pro LEAP oproti jeho předchůdci, motoru CFM 56.

Předprodej leteckým společnostem, kteří chtějí snížit náklady na pohonné hmoty, jsou ohromující - 140 miliard dolarů v listové ceně pro více než 11 000 motorů. V srpnu začal první motor LEAP letět komerčně na Airbusu A320neo. Ostatní motory LEAP budou letět na Boeing 737 MAX v roce 2017.

"Materiály vyvinuté v rámci programu DOE se staly základem pro materiál, který se nyní dostává do leteckých motorů, " uvedl Krishan Luthra, který 25 let vedl GE Global Research k vývoji CMC.

GE CMC je vyrobena z keramických vláken z karbidu křemíku (SiC) (obsahující stejné množství křemíku a uhlíku) potažené vlastním materiálem obsahujícím nitrid bóru. Povlečené vlákna jsou tvarovány do "předlisku", který je uložen v SiC obsahujícím 10-15 procent křemíku.

ORNL Rick Lowden se v osmdesátých letech minulého století stal základním dílem, který vydláždil cestu pro programy DOE. Klíčem bylo pokrytí keramických vláken.

"Kompozit keramické matrice se liší od téměř všech ostatních kompozitů, protože matrice je keramická a vlákno je keramické, " řekl Lowden. Typicky kombinuje dva křehké materiály, což přináší křehký materiál, řekl. Ale změna vazby mezi vláknem a matricí umožňuje, aby materiál působil spíše jako kus dřeva. Trhliny se nevyskytují do vláken z matrice kolem nich. Vlákna drží materiál společně a naloží náklad při pomalém vytahování z matrice, což zvyšuje houževnatost.

DOE pokračoval v programu od roku 1992 do roku 2002 a podporoval průmyslový rozvoj CMC společností AlliedSignal, Alzeta, Amercom, Babcock a Wilcox, Dow Chemical, Dow Corning, DuPont-Lanxide Composites, GE a Textron. Jeho rozpočet činil v průměru 10 milionů dolarů ročně a společné náklady v průmyslu.

Společnost CFCC financovala, aby kompozity a národní laboratoře a univerzity charakterizovaly vlastnosti materiálů. Úsilí bylo koordinováno a financováno prostřednictvím ORNL. Lowden napsal plán programu Scott Richland ze společnosti DOE a Mike Karnitz z organizace ORNL a spoluzakládal podporu společnostem s Billem Ellingsonem společnosti Karnold More, Pete Tortorelli a Edgar Lara-Curzio a Argonne National Laboratory ORNL. Americká asociace pro pokročilé keramiky reprezentovala odvětví informování Kongresu o výhodách CMC.

"Podívali jsme se na různá vlákna a různé povrchové vrstvy a různé matrice, " říká více o roli ORNL. "Podíleli jsme se na pochopení mechanizmů degradace a snížení výběru slibnějších kompozitů a nákladově efektivních technik jejich přípravy."

Lowden dodal: "Pracovali jsme na společném cíli, jak dostat keramické matricové kompozity do průmyslových aplikací, včetně vysokotlakých výměníků tepla, pozemních turbín, pekařských pecí a sálavých hořáků."

Projekt GEF v rámci projektu CFCC měl vyvinout CMC pro průmyslové motory s plynovou turbínou, které vyrábějí elektřinu. (GE vyrábí pohonné a pohonné turbíny). Následný program DOE proběhl v roce 2005 a financoval nejslibnější společnosti CFCC, aby dále rozvíjely materiály a součásti a pokud je to možné, testovaly je v aplikacích. Celkové financování bylo přibližně 15 milionů dolarů, přičemž náklady na sdílení nákladů v průmyslu se blížily 50 procentům. Společnost GE testovala plášť CMC v průmyslové plynové turbíně o výkonu 170 megawattů v rámci programu. Celkově GE investovala 1, 5 miliardy amerických dolarů poté, co tuto technologii komercializovala.

"Peníze na osivo jsou kritické pro vysoce rizikové technologie s vysokými výplatami, " řekl Luthra. "Vývoj materiálu je dlouhodobá aktivita a Oak Ridge obrovsky podporoval základní výzkum."

Jako důkaz úspěchu Luthra poukázal na nové továrny a pracovní místa CMC. V roce 2002 společnost GE získala v Newarku v Delaware zařízení CMC, které se podstatně rozrostlo. Nové zařízení GE bylo otevřeno v Asheville v Severní Karolíně v roce 2014 pro výrobu komponentů pláště. Kromě toho GE buduje dvě sousední továrny v Huntsville v Alabamě - první vyrábí vlákna a druhá vlákna potahuje a vyrábí pásky pro zpracování do součástek. V plném rozsahu se očekává, že lokality Asheville a Huntsville přinesou 640 high-tech pracovních míst.

V roce 2019 GE bude vyrábět motor GE9X s pěti díly CMC - dvě vložky spalovací komory, dvě trysky a jeden plášť. Předplacené stroje představují zhruba 29 miliard dolarů v listových cenách pro 700 motorů.

Výzkum výzkumu keramických kompozitů

Dlouho před keramickými kompozity zesílenými keramickými vlákny výzkumníci ORNL pokryli jaderné palivo uhlíkem a SiC, aby omezili radioaktivitu uvnitř trostrukturálně izotropních (TRISO) palivových částic. Během pokusů v 70. letech zjistil Jack Lackey, výrobce ORNL, že proces mohl být upraven pro výrobu keramických kompozitů rychleji. S podporou programu DOE na fosilních energetických materiálech jeho skupina propagovala proces, který měl udělat právě tak.

"Vezmete vláknitý předlisek, umístěte ho do pece a pevně usazujte v okolí a kolem vláken, " vysvětlil Lowden, který byl technikem Lackeyho. Pro pokrytí celého objektu rovnoměrně musí být proces ukládání extrémně pomalý - část poloviny palety může trvat až šest měsíců.

Tým ORNL však zjistil, že umístění vláknité rohože na studenou desku, zahřívání vrcholu a vyvíjení plynů rohoží způsobilo postup od měsíců až hodin. "Tam jsme se zapojili do kompozitů z keramické matrice, " řekl Lowden. Společnost ORNL věnovala CMC roky vědcům, kteří hodnotili CMC pro různé aplikace.

Dnes GE hromadně vyrábí CMC pomocí procesu infiltrace taveniny. Výrobní kapacita je rozebrána tak, aby ročně do roku 2020 vyrobila 36 000 segmentů pláště perfektní kvality. (Každá jednotka LEAP vyžaduje 18 segmentů zubů.)

V letech CFCC se největším úspěchem programu stala průmyslová plynová turbína, která byla uvedena do provozu v továrně Malden Mills v Massachusetts v roce 1999. Turbína přinesla spalovací komůrku CMC vyvinutou firmou Solar Turbines se vstupy výzkumníků z ORNL, Argonne, United Technologies, BF Goodrich a DuPont-Lanxide Composites - které pomohly zlepšit účinnost turbíny. V té době energetický tajemník Bill Richardson uvedl, že závod Malden Mills měl "nejnižší emise všech průmyslových tepelných a elektrických kombinovaných zařízení ve Spojených státech."

Vzhledem k tomu, že CFCC, GE testovala CMC na více než 2 miliony hodin, včetně 40 000 hodin v průmyslových plynových turbínách. Jim Vartuli z programu CMC společnosti GE uvedl, že podpora DOE na velkých průmyslových plynových turbínách, která získala první demonstranty, dala GE důvěru, že keramika může dlouhodobě přežívat vysoké teploty a namáhání v turbínách.

"GE je jedinou společností na světě s velkými průmyslovými plynovými turbínami a podniky s leteckými motory, což umožňuje mnoho příležitostí pro společný rozvoj pokročilých technologií. Jedná se o příklad" GE Store "- přenosu technologií a znalostí mezi podniky GE, "vysvětlil Vartuli. "Úspěch turbínových testů přesvědčil naši leteckou firmu, že CMC budou úspěšné i pro letecké motory."

Jak DOE a jeho národní laboratoře pomohly průmyslu

Společnosti CFCC přinesly materiály, které provedly do národních laboratoří DOE v Argonne za nedestruktivní hodnocení a Oak Ridge pro charakterizaci mikrostruktur a stresové a oxidační testy. "Toto partnerství zdůrazňuje hodnotu národních laboratoří, " řekl More. "Děláme práci, která je zásadní a široká, abychom chápali chování materiálů. Poskytujeme potřebné informace, které pomáhají komunitě rozhodovat o tom, kam jít, jak postupovat." Nové znalosti o tom, jak materiály degradovaly, pomohly průmyslu urychlit vylepšení a optimalizovat výrobní procesy.

Výzkum v ORNL se pohyboval od vývoje environmentálních bariérových nátěrů Allenem Haynesem, které by mohly prodloužit životy podkladových materiálů pětinásobně na nedestruktivní zobrazování materiálů termálními kamerami od Ralpha Dinwiddieho. V laboratoři Argonne National, Bill Ellingson vedl vývoj širších nondestruktivních testovacích metod, aby bylo zajištěno bezpečné další používání součástí monitorováním degradace materiálu po intervalech používání. Bez poškození součástí, inspekce odhalily, jak materiály reagovaly v prostředí v průběhu času. S výzkumníky ORNL vyvinuli vědci společnosti Argonne několik nedetekutivních kontrolních technologií, které byly nástrojem při určování výkonu komponentů.

ORNL Pete Tortorelli a HT Lin zdůrazňovaly materiály v komorách vystavených vlivům prostředí, aby se seznámili s jejich nedostatky. Labové kolegové Jim Keizer a Irv Federer vystavili vzorky korozivních plynů, teplotám do 2550 F a tlakům až 500 psi v "Keizerových soupravách", které simulovaly podmínky v turbínách. Ty byly také používány společnostmi More, Tortorelli a Keizer pro testování ochranných povlaků potřebných v prostředí spalování.

Mezitím více charakterizované struktury stresových materiálů. "Karren More vstoupil do našeho obrazu jako náš mikroskopista a to změnilo náš svět, " vzpomněl si Lowden. "Abych mohl vidět, co se děje s transmisní elektronovou mikroskopií a pochopit, co se děje na této úrovni, bylo neuvěřitelné." Společnost GE měla přístup k některým technikám v dané oblasti kvůli své velké infrastruktuře. "Ale z Karrenu jsme získali neocenitelnou pomoc na povlacích z vláken, " řekl Luthra. "Pomohlo nám rychleji rozvíjet povlaky z vláken."

ORNL brzy objevy povzbudily průmysl opustit uhlík jako povlak vlákna. Oxidovaný oxidem uhličitým, přeměněným na oxid uhelnatý a oxid uhličitý, a vypařil se a ředěním povlaku. Inženýři ORNL místo toho doporučili nitrid boritý odolný proti oxidaci.

Navíc Edgar Lara-Curzio modeloval a testoval mechanickou výkonnost materiálů CMC za různých zatěžovacích podmínek a jejich odolnost vůči únavě, tečení a prasknutí v laboratoři ORNL pro vysokoteplotní materiály. Ve spolupráci s Mattem Ferberem a Chun-Hwayem Hsuehem realizoval experimentální a analytické metody charakterizující mikromechaniku rozhraní s vláknitou matricí. "Tato měření byla nezbytná pro kvantifikaci chemických vazeb mezi vlákny a matricemi, zbytkových namáhání vlákna a tření mezi vlákny a matricí při klouzání vláken", říká Lara-Curzio, upozorňující na to, že CMC jsou obtížné především proto, mostní matice praskliny. On a Hsueh poskytli klíčové informace o tom, jak jedno vlákno klouže v keramické matrici. Lara-Curzio, Ferber a Lowden pak kvantifikovaly vliv tloušťky povlaků vláken na posuv a objevily hodnotu, která optimalizovala mechanické vlastnosti. Společnosti široce přijaly tuto korelaci s cílem optimalizovat své kompozity.

Zpět do budoucnosti

Dnes v GE, Luthra sní o tom, že se CMC vkládají všude tam, kde motor dostane horké kotouče, trysky, vložky. K dosažení této vize má komunita spoustu technologických hor. Jedním z nich je vývoj výrobních procesů, které na rozdíl od infiltrace taveniny neprodukují přebytečný křemík, který může v matici vypařit a tvořit praskliny.

"Každé desetiletí jsme se zvýšili (tepelné kovy mohou vzít) asi o 50 stupňů, " poznamenal Luthra. Dnes materiál CMC může trvat až 2400 F, ale Luthra by chtěl, aby příští generace dosáhla 2700 F. "To bude stejně náročné jako vývoj prvního keramického kompozitu, " uvedl.

Chcete-li upozornit na tyto výzvy, US Advanced Ceramics Association vytváří průmyslově řízený plán pro vývoj 2700 F CMC pro pokročilé plynové turbíny. Tento plán bude informovat Kongres o úspěších 2400 F CMC, povzbudit investice do vývoje 2700 F CMC a zvýraznit příspěvky CMC k vytváření vysoce placených amerických výrobních pracovních míst, národní bezpečnosti a životního prostředí. Cestovní mapa společnosti USACA podporuje závěry nedávné studie Národní akademie věd, která uzavírá investice do materiálů pro plynové turbíny a nátěry, by měla mít vysokou prioritu a že 2700 F CMC by mohly dramaticky snížit nebo eliminovat potřebu chlazení motoru, zvýšit účinnost a snížit hmotnost. Národní laboratoře DOE mohou být znovu vyzvány, aby pomohly objevit vysoce výkonné materiály a procesy, které mohou pracovat při vyšších teplotách a ještě extrémnějším prostředí.

Budoucí CMC budou muset vydržet extrémy ve čtyřech časových rozmezích, v závislosti na aplikaci: 1 hodina nebo méně horkého času pro startovní vozidla; dnů pro palivo odolné proti nehodám (např. pokud chladicí systém zhasne v jaderné elektrárně); tisíce hodin, provozní životnost leteckých turbín; a více než 30 000 hodin pro průmyslové plynové turbíny pro výrobu energie.

Pozemní plynová turbína k výrobě elektřiny může být náročnější než aplikace motoru letadla, protože tráví mnohem více času při vysokých teplotách, řekl Luthra. Pokroky v příští generaci materiálů 2700 F by umožnily průlomové zlepšení účinnosti a emisí, které by mohly snížit náklady na elektřinu.

Nebe, konec konců, nemusí být limit.

menu
menu