Microstructuren verhogen levensduur motoren Rolls-Royce

Rolls-Royce heeft in samenwerking met het Fraunhofer Instituut voor materiaal- en straaltechnologie IWS een proces ontwikkeld waarmee de stabiliteit van vliegtuigmotoronderdelen die onderhevig zijn aan stress als gevolg van extreme temperaturen kan worden verbeterd. Met laser gefabriceerde microstructuren kan de levensduur van de thermische barrièrecoatings worden verlengd.

Verbrandingskamers van moderne vliegtuigmotoren produceren tijdens verbranding temperaturen van meer dan 2.000 Kelvin (1726 ^oC). Deze waarde ligt enkele honderden graden boven de smelttemperaturen van de gebruikte materialen. Daarom moeten bepaalde gebieden van de thermisch hoogbelaste componenten worden gekoeld en voorzien van speciale thermische barrièrecoatings, zowel intern als extern. Na de landing koelen de motoren snel weer af. De constante verandering van verwarming en koeling legt een enorme stress op de componenten in de motoren. Daarom moeten ze regelmatig worden gecontroleerd en onderhouden. Na jaren van onderzoek hebben Rolls-Royce en Fraunhofer IWS een methode ontwikkeld waarmee de levensduur van de coating kan worden verlengd.

Additive microstructuren

In de kern baseert de nieuwe technologie zich op additief vervaardigde microstructuren. Deze worden gebruikt om innovatieve Thermal Barrier Coatings (TBC’s) op de turbinecomponenten te bouwen. Dit zorgt ervoor dat een metalen, oxidatiebestendige laag en een keramische isolatielaag met elkaar worden verbonden. Tijdens het snelle opwarmen en afkoelen van de motor ontstaan mechanische spanningen in de isolatielaag, die worden veroorzaakt door de verschillende uitzettingscoëfficiënten van de gebruikte materialen. Dit kan leiden tot horizontale scheuren in de keramische laag, die hierdoor vervolgens kan afschilferen. Dankzij de nieuwe microstructuren ontstaan er nu verticale scheurtjes i.p.v. horizontale in de keramische laag. Deze verminderen trekspanningen in het materiaal en voorkomen zo de vorming van de gevreesde horizontale scheuren.

30 micrometer

Om de microstructuren te genereren, moesten de onderzoekers bestaande productietechnieken verder doorontwikkelen. Een uiterst nauwkeurige single-mode fiberlaser is het resultaat. Deze genereert microstructuren tot in de orde van 30 micrometer. De kolomvormige opstelling van de microstructuren verhoogt de expansietolerantie van de isolatielaag. De kennis die nodig is om de structuren voor de TBC’s te ontwerpen en voor de geavanceerde productieprocessen zijn niet alleen opgedaan in praktische experimenten. Simulaties en theoretische modellen hebben een belangrijke rol gespeeld in de ontwikkeling van deze nieuwe technieken.

10% brandstofreductie

De nieuwe technologie kan de efficiëntie van de straalmotoren verder verbeteren en de verbrandingstemperatuur verhogen. De efficiëntere verbranding resulteert in een afname van het brandstofverbruik met tien procent en verlaagt de uitstoot van broeikasgassen. Het gezamenlijke team van onderzoekers en technici van Rolls-Royce en Fraunhofer is erin geslaagd het onderzoekswerk over te brengen naar productieklare productie die voldoet aan de strenge veiligheidsnormen van de luchtvaartindustrie. Sinds februari 2018 worden de motoren gebruikt in langeafstandsvliegtuigen voor de Airbus A350-1000. De Trent XWB-97 is de exclusieve aandrijving van dit vliegtuigmodel en de meest efficiënte motor van Rolls-Royce. De Fraunhofer-experts verwachten dat ook andere straalmotoren in de toekomst zullen worden uitgerust met de innovatieve IWS-technologieën.