Paar procent silicium maakt turbinebladen hittebestendiger

low-pressure steam turbine Jupiterimages

Toevoeging van maar een paar procent silicium maakt legeringen van molybdeen en niobium beter bestand tegen oxidatie, wat ze bij uitstek geschikt maakt voor toepassing in straalmotoren en turbines. Daardoor zal de efficiëntie van dit soort motoren toenemen, omdat deze nieuwe materialen het mogelijk maken om bij hogere temperaturen te opereren. De tot nu toe toegepaste superlegeringen van nikkel zijn minder goed bestand tegen hoge temperaturen en moeten dus gekoeld en beschermd worden. Dat schrijft materiaalwetenschapper John Perepezko van de universiteit van Wisconsin-Madison (Science, 20 november).

Turbinebladen en andere componenten in straalmotoren zijn in experimenten blootgesteld aan extreme temperaturen van meer dan 1.500 graden Celsius. Er zijn nauwelijks materialen die daartegen bestand zijn. Zelfs de nikkel-superlegeringen hebben een beschermende coating nodig en worden van binnenuit gekoeld door er koude lucht doorheen te blazen. Dat leidt echter tot verlies van efficiëntie, omdat het energie kost om de koude lucht te comprimeren en in beweging te brengen. Het vermogen dat een turbine levert zou tot wel 50 procent kunnen toenemen als er geen luchtkoeling nodig zou zijn. Daarbij maakt de noodzaak voor luchtkoeling de componenten zwaarder en moeilijker te fabriceren.

Er bestaan maar weinig (keramische) materialen die bij de gewenste extreme temperaturen zonder koeling hun vorm en sterkte behouden. De legeringen van molybdeen en niobium doen dat wel, maar corroderen erg makkelijk. Toevoeging van silicium blijkt dat probleem in één klap te verhelpen. De zo verkregen materialen hebben geen beschermende coating meer nodig en opereren ook zonder koeling bij omstandigheden waar de nikkel-superlegeringen zouden falen. Het is nog wel een uitdaging om geschikte bewerkingsmethoden te ontwikkelen, omdat tijdens de fabricage van de componenten de microstructuur van het materiaal soms verandert, waardoor ook de goede thermische en mechanische eigenschappen (deels) verloren gaan. Een veelbelovende methode maakt gebruik van poeders die in een mal worden geperst waarna de poederdeeltjes onder druk en bij hoge temperatuur met elkaar worden versmolten. Een nadeel daarvan is dat de poederdeeltjes nu nog een ongewenste reactie aangaan met de mal. Fabrikanten zijn op zoek naar een oplossing. Rob van den Berg