Nanopartiklar i flygmotorers ytskikt tredubblar livslängden och minskar bränsleförbrukning

Forskare vid Högskolan Väst har börjat använda nanopartiklar i de värmeisolerande
ytskikt som skyddar flygmotorer från hetta. I forskarnas tester ökade livslängden
med över 300 procent. Detta är något som intresserar både flygindustrin och 
gasturbinindustrin i allra högsta grad och förhoppningen är att motorer med de nya
skikten ska vara i produktion inom två år.

För att öka flygmotorers livslängd sprutas ett värmeisolerande ytskikt ovanpå metallen. Tack 
vare det extra skiktet skyddas motorn från hetta. Då kan man också höja temperaturen vilket 
leder till ökad effektivitet, minskade utsläpp och mindre bränsleförbrukning. 

Målet för forskargruppen vid Högskolan Väst är att kunna kontrollera ytskiktets struktur för 
att öka dess livslängd och isoleringsförmåga. I sitt arbete har de använt olika material.

- Basen är ett keramikpulver men vi har också testat att tillsätta plast för att generera 
porer som gör materialet mer värmeisolerande och mer elastiskt, säger Nicholas Curry 
som just presenterat sin doktorsavhandling i ämnet.

Stora påfrestningar på materialet
Keramikskikten utsätts för stora påfrestningar när de enorma temperaturväxlingarna gör att 
materialen omväxlande expanderar och krymper. Det är därför viktigt att få skikten elastiska. 
Senaste året har forskarna fokuserat på att förädla mikrostrukturen ytterligare, allt för att 
skikten ska vara intressanta för industrin att använda.

- Vi har testat att använda ett skikt där nanopartiklar ingår. Partiklarna är så fina att vi 
inte kunnat spruta pulvret direkt på en yta. I stället blandar vi först pulvret i en vätska 
som sedan sprutas. Detta kallas suspensionplasmasprutning.

Chocktester simulerar temperaturväxlingar
Nicholas Curry och hans kollegor har sedan testat det nya skiktet flera tusen gånger i så 
kallade chocktest, för att simulera temperaturväxlingen i en flygmotor. Och det visar sig att 
ytskiktet håller minst tre gånger så länge som ett konventionellt skikt, samtidigt som det har 
låg värmeledningsförmåga.

- En flygmotor som håller längre behöver inte genomgå dyr och tidskrävande ”service” 
lika ofta, det sparar pengar för flygindustrin. Den nya tekniken är också betydligt 
billigare än den konventionella vilket gör att många fler företag kommer att kunna 
köpa in utrustningen. 

Forskningen vid Högskolan Väst sker i tätt samarbete med flygmotortillverkaren GKN 
Aerospace, tidigare Volvo Aero, och Siemens Industrial Turbomachinery som gör 
gasturbiner. Tanken är att det nya skiktet ska användas i både flygmotorer och gasturbiner 
inom två år.

Vad händer med materialet över längre tid?
En av de viktigaste frågorna att lösa för forskarna är hur de kan kontrollera vad som händer 
med ytbeläggningens struktur över tid och att förstå hur mikrostrukturen i skikten fungerar.

- Ett konventionellt ytskikt ser ut som en smörgås, med lager på lager. Det ytskikt som 
vi får fram med den nya metoden kan mer liknas vid stående kolumner. Det gör skiktet 
mer flexibelt och mer elastiskt. Och det fäster på metallen oavsett om ytan är helt slät 
eller inte. Det viktigaste är inte materialet i sig utan hur poröst det är, säger Nicholas 
Curry.

Så fungerar termisk sprutning
Ytskikten på flygmotorer och gasturbiner kallas värmebarriärsskikt och de tillverkas med en 
metod som kallas termisk sprutning. Vid mycket hög temperatur, 7000-8000 grader, sprutar 
man ett keramiskt pulver med en plasmastråle mot en yta. Keramikpartiklarna smälter och 
träffar ytan där de bildar ett skyddslager som är ungefär en halv millimeter tjockt. 

För mer information, kontakta:

Doktor Nicholas Curry, e-post: nicholas.curry@hv.se, telefon:0520-22 32 33 (engelsktalande)

Professor Per Nylén, e-post: per.nylen@hv.se, telefon:0520-22 33 58, mobil:0733-97 50 61 
(svensktalande)