Production and properties of Silicon Carbide coatings by thermal spray

Gassturbiner er et av de mer brukte forbrenningssystemene for kraftproduksjon. Det er grunnleggende en enkel design med bare en bevegelig komponent. Gassturbiner er da egnet for transportmidler siden kraft/vekt-forholdet er i størrelsesorden tretti ganger høyere enn for vanlige motorer for biltransport. Fellestrekket med alle forbrenningsprosesser er viktigheten av temperatur under forbrenningen. For rakettmotorer er den eksoterme effekten av å forbrenne drivstoffet proporsjonal med den genererte skyvekraften. Ønsket om å presse ytelse og effektivitet har lenge vært en drivkraft for å øke maksimal driftstemperatur. Materialutvikling som gir høyere toleranse for substratets driftstemperatur, aktiv kjøling i og på toppen av turbinprofiler, og isolerende termiske barrierebelegg som reduserer eksponeringen for det varme miljøet. Dette doktorgradsarbeidet har fokusert på utviklingen av en ny type termiske barrierebelegg (TBC) for å øke driftstemperaturen til gassturbiner for å gjøre dem mer effektive. Dette nye materialet er Yttrium Aluminium Granite (YAG). Seram coatings bruker denne typen oksid som en matrise for sitt første kommersielle produkt, ThermaSiC. Derfor har dette doktorgradsarbeidet fokusert på å forstå dette materialet i detalj og samtidig utforske mulighetene for å utnytte det som et nytt produkt for turbinapplikasjoner (gass eller fly). Dette prosjektet har vist potensialet YAG-pulveret har som et termisk barrierebelegg. Ulike tilnærminger for å oppnå en vellykket avsetning og et godt belegg har blitt utforsket. Små industrilevert pulver og større egenprodusert pulver har blitt sammenlignet, og understreket viktigheten av energi som brukes til avsetning og krystallinitet i det endelige belegget. Høykrystallinsk materiale har blitt produsert med F4 atmosfærisk plasmaspraysystem uten etterbehandling eller substratoppvarming.

This project can have large effects in the next generation of thermal barrier coatings (TBCs). For long time has Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) been an established material for TBCs. The well-known system consisting of an YSZ insulating top coating and a NiCrAlY metallic bond coat developed by the NASA Lewis Research Centre in Cleveland by Stecura and Leibert back in the 1970s is still today of the most used TBC systems with an operational temperature up to 1100 C. However, as demands for higher turbine efficiency keep increasing, new TBC materials with higher operating temperatures and better performance are required. One of the most discussed and severe issues related to the degradation of TBCs is the exposure to calcium–magnesium–alumina–silicates (CMAS) at elevated temperatures. The CMAS are often introduced to the system from the intake air in the form of dust, sand, volcanic ashes or similar. YSZ is proven to be prone to CMAS attacks, and research has been carried out to overcome this. New materials like YAG appear as a promising alternative to YSZ both from a performance perspective in CMAS and similar degradation mechanisms, but also to increase the operational temperatures of turbines. The successful development of YAG as alternative material or new material for turbines will not only bring new knowledge to the field in terms of materials development for such demanding applications, but it opens a commercial opportunity for a company like Seram Coatings to enter this market with a new and disruptive product.

Seram Coatings AS er en oppstartsbedrift med utspring fra NTNU som nå er i ferd med å kommersialisere NTNU-oppfinnelsen ThermaSiC. Kort fortalt er Seram Coatings først i verden med å kunne tilby slitasjebelegg av silisiumkarbid (SiC) som kan termisk sprøytes. Selskapet er imidlertid avhengig av betydelig forskning og utvikling for å komme frem til produkter som kan brukes til flest mulig applikasjoner og som kan påføres med flest mulig metoder innen termisk sprøyting. Dette krever forskning. Spesielt viktig er dette for oss ettersom vi ønsker å ha et produkt som er mest mulig likt SiC (som er 80% av vekten i vårt pulver). De resterende 20 % (foreløpig en oksid) må gi en effekt ved både påføring og i egenskaper ved endelig slitasjebelegg som vi må lære mer om. Det er i tillegg slik at et perfekt pulver fra oss (som jo er vårt produkt) likevel kan gi en håpløs coating om man bruker ikke-optimale sprøytepistoler eller parametre for disse. Derfor forskning. Fokuset er da på målene nevnt tidligere i søknaden, kort oppsummert: Hvordan får man best mulige coatinger/slitasjebelegg basert på SiC ved såkalt termisk sprøyting? Dette med ulike metoder som plasmasprøyting og HVOF. Og i tillegg: Hvilke binders (den delen av pulveret som ikke er silisiumkarbid) gir hvilken effekt på coatingen? Potensialet er skyhøyt. SiC kan erstatte veldig mange ulike slitasjebelegg som er på markedet i dag (markedet inkludert utstyr er på mer enn 7 milliarder USD) og for Seram Coatings som eneste tilbyder av dette p.t. vil prosjektet være avgjørende for å garantere god kvalitet.