از آنجا که فناوری نانو، رویکردی جدید به همه علوم و فنون میباشد، کاربردهای گستردهای در صنعت هوایی یافته است. از سوی دیگر خواص تریبولوژی از مهمترین پارامترهای پیشتاز در تحقیقات مدرن و کاربردی محسوب میشود. میزان اهمیت تریبولوژی با توجه به کاربرد سایش، ضریب اصطکاک و روانکاری در زندگی روزمره ما سنجیده میشود. برای مثال در تجهیزات، هواپیما، ماهوارهها و پنلهای خورشیدی به صورت گسترده از نانوپوششها استفاده میشود.
ایجاد پوششهای نانوساختار بر روی قطعات صنعت هوایی از جمله این کاربردهاست که سال ها به صورت تجاری مورد استفاده قرار گرفته است. در این رویکرد، پوششهای نانوساختار با سختی بسیار بیشتر از قطعات پایه ابزارها به ضخامت 1 تا 5 میکرومتر بر روی آنها اعمال میشود. از اینرو این نوشتار صرفا به کاربردهای «فناوری نانوپوشش سخت و مقاوم در صنعت هوایی» معطوف شده است.
در بسیاری از زمینههای مهندسی دستیابی به راندمان کاری بهینه مستلزم انجام عملیات سطحی روی قطعات است. عملیات سطحی که عمدتاً به منظور بهبود خواص مکانیکی و در برخی موارد بهبود خواص فیزیکی مکانیکی فلزات و آلیاژها به کار می رود، دامنه وسیعی از فرایندها را شامل می شود. از مهمترین و به روزترین این فرایندها، می توان به ایجاد پوشش های نانوساختار بر روی سطح اشاره کرد. این دسته از پوشش های سطحی به علت سختی، تراکم و چسبندگی خوب و قابلیت تطبیق ترکیب و ساختار پوشش با شرایط محیطی سایشی و خوردگی، توانستهاند جایگاه ویژهای در صنایع بزرگ به خود اختصاص دهند. تشکیل پوششهای نازک و نانوپوششها در قطعات مورد استفاده در صنایع هوایی یک راهحل پیشرفته برای افزایش قابلیت اطمینان و طول عمر تجهیزات مکانیکی آنها است. ضمن اینکه نانوپوششها در مقایسه با دیگر فناوریهای پوششدهی (مانند آبکاری) مشکلات زیستمحیطی کمتری ایجاد میکنند و با کاهش وزن و قیمت مواد مورد استفاده برای ساخت تجهیزات و در نهایت راندمان فرایندها را افزایش میدهند. در صنعت هوایی و هوافضا نیز از نانوپوششها به منظور محافظت از سازه ها و سطوح در شرایط سخت و خشن استفاده می گردد. با توجه به افزایش روز افزون نیازها برای مقاومت به دمای بالا، مقاومت به شرایط محیطی، مقاومت به خوردگی و مقاومت به سایش اجزای موتورها، تقاضا برای استفاده از پوششها با عملکرد بالا افزایش یافته است.
در سالهای اخیر با گسترش فناوری نانو، شرکتهای بزرگ فعال در صنعت هوایی سعی در استفاده از این فناوری در بخشهای مختلف تولید داشته اند. پتانسیلهای بالای فناوری نانو باعث شده است که بخش فراوانی از فعالیتهای تحقیق و توسعه این شرکتهای بزرگ به استفاده از این فناوری معطوف شود.
دانشگاه تحقیقات ملی روسیه تحلیلی از بازار نانو در صنایع مختلف منتشر نموده است. همانطور که در شکلهای 1 و2 مشاهده میشود صنعت هوافضا و زیرساختهای آن در دو برنامه میان مدت و بلند مدت بررسی شدهاند. در پیشبینی بازار نانو تا سال 2015، بازار الکترونیک بیشترین سهم را دارا میباشد و بازار صنعت هوافضا میزان 9/0 % را به خود اختصاص داده است، که این میزان در پیشبینی بازار تا سال 2030 به 6/5% خواهد رسید.
شکل 1. پیشبینی از بازار نانو تا سال 2015 در روسیه .
تصویربازطراحی گردد.
شکل 2. پیشبینی بلند مدت بازار نانو تا سال 2030 در روسیه.
تصویربازطراحی گردد.
بازار کلی مهندسی سطح در جهان در سال 2014 مبلغ 5/13 بیلیون دلار بوده است. در شکل 3، به تفکیک سهم هر صنعت از این مبلغ ذکر شده است. همانطور که در تصویر مشاهده می شود، صنعت هوایی به عنوان دومین بازار شناخته شده است. همچنین صنعت هوایی با نرخ رشد متوسط سالانه 6% (CAGR=%6)، بیشترین رشد مهندسی سطح را دارد.
شکل 3. سهم هر صنعت در بازار مهندسی سطح .
- چند چالش مهم در صنعت هوایی
قطعات و تجهیزات مورد استفاده در صنعت هوایی به دلیل شرایط کاری و همچنین دقت ابعادی بالای نیاز به پوششهایی با خواص بسیار بالا دارند. خوردگی شدید و محیطهای ساینده به همراه عوامل مکانیکی و حرارتی در این فرایندها وجود دارد. محدودهی این محیطها از شرایط متوسط تا شرایط شدید و بسیار سخت متغیر است. بسیاری از پوششهای موجود محدودیتهای جدی دارند و برای کاربرد در صنایع هوایی مناسب نیستند. پوششها خواص مکانیکی قطعه مانند سختی، استحکام و چقرمگی را بهبود میبخشند. در عین حال با انتخاب پوشش مناسب مقاومت در برابر شرایط محیطی مانند اکسیداسیون دمای بالا و خوردگی بهبود مییابد.
وظیفه اصلی لایههای نازک محافظت در برابر عوامل مخرب شامل فرسایش[1]، خوردگی و اکسیداسیون دمای بالا، ساییدگی[2]، کچلی[3]، خستگی سطحی، شوک حرارتی و خوردگی عمومی است. عوامل تخریبکننده برای یک موتور جت در نشان داده شده است. در یک موتور جت، تجهیزات LPC تحت فرسایش و خوردگی، تجهیزات HPC تحت فرسایش و اکسیداسیون داغ، چرخدندههای موتور تحت خستگی سطحی، پیچ و مهرهها تحت اکسیداسیون و کچلی و نهایتاً تیغهها[4]، پرهها[5] و بلبرینگها تحت ساییدگی قرار میگیرند.
تغییرشکلهای نامطلوب در لبه پرهها بر اثر فرسایش.
از اینرو برای حل این چالش ها، مهندسان سطح با استفاده از فناوری نانوپوشش، بهدلیل ماهیت نانویی بودن پوششها، خواص متفاوت و منحصر به فردی در سطح قطعه ایجاد نمودهاند. افزایش فوقالعاده سختی تا محدوده 50 گیگا پاسکال و ضریب اصطکاک 05/0 از جمله این خواص میباشد. برای آشنایی بیشتر با نانوپوششها، در ادامه تعریف و سپس انواع آنها از لحاظ ساختاری آورده شده است.
- انواع نانوپوششهای سخت و مقاوم
نانوپوششها به دستهای از روکشها اطلاق میشود که دارای دو ویژگی زیر باشد:
- در یکی از اجزای آن (ساختار یا اجزای سازنده) دارای ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر باشد.
- نسبت به حالت متداول دارای خواص ویژه و منحصر به فردی باشد. مانند خواص مطلوب مقاوم به سایش، فرسایش و خوردگی
دسته بندی انواع پوشش های مرسوم و نانو پوششهای سخت و مقاوم
فناوری نانوپوشش به دلیل نیازهای صنعتی دستخوش تغییرات شده است به طوری که تاکنون پوششهای نسل مختلف توسعه یافتهاند. در ذیل به این نسلهای تکامل یافته اشاره شده است.
- نسل اول: پوشش های دوجزیی TiN ، TiC،CrN و ZrN
- نسل دوم: پوششهای سه جزیی مانند پوششهای TiCN، TiAlN، TiSiN و AlCrN
- نسل سوم: پوششهای چندلایه و ابرشبکهای مانند پوششهای TiN/VN و TiN/TiAlN
- نسل چهارم: پوششهای نانوکامپوزیتی مانند پوشش TiAlSiN
- نسل پنجم: پوششهای خودروانکار جامد (DLC) با ضریب اصطکاک در حدود 05/0
- نسل ششم: پوششهای هیبریدی، ترکیبی از دو نسل مختلف (Triple & Quad coat)
| پوشش نانوکامپوزیتی پوشش نانولایه پوشش چندلایه پوشش گرادیانی پوشش چندجزئی پوشش تک لایه |
- برخی کاربردهای تجاریشده نانوپوششها در تجهیزات صنعت هوایی
1-5- کاربرد نانوپوشش در لایه نشانی اجزای موتورهای توربینی و هوایی
در گذشته و آینده تمایل بسیاری برای توسعه پوششها با توجه به شکل زیر بوده است. در شکل زیر مقایسهای از انواع مختلف پوششها در ناحیه اکسیداسیون، خوردگی و ترک خوردن، شده است. عمرکاری پوششها به ضخامت، ترکیب شیمیایی و یکنواختی آنها بستگی دارد.
روند توسعه پوششها.
فرسایش در تیغههای کمپرسورها باعث اتلاف انرژی، افزایش مصرف سوخت و آلایندگی میشود و خود را بهصورت تخریب لبههای پستیغهها و پیشتیغهها نشان میدهد و پروفیل لبه را دچار تخریب میکند و نوک پره را از بین میبرد. این تخریب باعث میشود ذرات گرد و خاک، خاکسترهای هوایی، نمک و یخ (در ارتفاعهای بالا) به درون موتور کشیده شود. بنابراین، بهترین روش برای جلوگیری از تخریب لبه پرهها در تجهیزات LPC و HPC، پوششدهی آنها با پوششهای مقاوم است که روشهای لایهنشانی از فاز بخار فیزیکی (PVD)، لایهنشانی از فاز بخار شیمیایی (CVD) و پاشش حرارتی از مهمترین آنهاست.
از طرف دیگر، ساییدگی بین اتصالات دمکبوتری (ریشه) تیغه و دیسک هم باعث تخریب شدیدی میشود که بهترین راه حل این مشکل، پوششدهی تیغهها با مواد سخت، دارای ضریب اصطکاک پایین و ایجاد تنشهای فشاری بهروش لایهنشانی از فاز بخار فیزیکی (PVD) است.
محل وقوع ساییدگی در محل تماس با دیسک.
1-1-5- مواد و پوششهای مورد استفاده در موتورهای جت
امروزه تقریباً وزن موتورهای توربینی پیشرفته هواپیماها از تیتانیم و مابقی از سوپرآلیاژهای پایه نیکل ساخته میشوند. تیغهها و پرههای توربینهای پرفشار در موتورهای هواپیماها از جمله قطعاتی هستند که بیشترین تنش را تحمل میکنند. بهطور مثال، مقاطع آیرودینامیکی که از سوپر آلیاژهای پایه نیکل ساخته میشوند در دمایی در حدود °C1000 کار میکنند که نزدیک به 90 درصد نقطه ذوب آلیاژ است. در شکل زیرتصویر چند قطعه مهم نشان داده شده است. برنامه ریزی آینده در طراحی مواد مورد استفاده در توربینها این است که توان تحمل دمای ورودی مدخل توربین را تا °C 1600 افزایش داد. شکی وجود ندارد که برای رسیدن به این هدف بلندپروازانه یا باید از سیستمهای خنککننده غیراقتصادی استفاده کرد یا به سراغ پوششهای دما بالای پیشرفته رفت که از این بین پوششهای سپر حرارتی[6] (TBC) که به روش لایه نشانی از فاز بخار فیزیکی به کمک پرتوی الکترونی[7] (EB-PVD) تهیه میشوند از جایگاه ویژهای برخوردارند.
| ج |
| د |
| ب |
| الف |
تصویر چند قطعه مهم تیتانیمی موتور هواپیما: (الف) دیسک کمپرسور ماشینکاری شده، (ب) کمپرسور بلیسک سهمرحلهای، (ج) استیج فشار پایین توربین یک موتور جت و (د) پرههای روتور کمپرسور فشار بالای یک موتور جت.
همچنین برای محفظه احتراق موتورهاى توربينى[8] از پوششهای سپر حرارتی استفاده میشود که به روش پاشش پلاسمایی هم تولید شدهاند. در مقایسه با پوششهای پلاسمایی، EB-PVD میتواند پوششهایی با ساختار ستونی منحصربهفردی تولید کند که μm 20-25 قطر دارند. مهمترین ویژگی این ساختار، تلورانس فوقالعاده آن در برابر شوک حرارتی است که طول عمر لبه پره را افزایش میدهد. در شکل زیر مشخصات نوعی و ویژگیهای اصلی پوششهای سپر حرارتی تولید شده به روش پاشش پلاسمایی و EB-PVD بهطور شماتیک با یکدیگر مقایسه شدهاند.
مقایسه بین پوششهای سپر حرارتی تولید شده به روش پاشش پلاسمایی و EB-PVD.
لطفا این تصاویر بازطراحی شود.
- مرکز ICEBT با استفاده از روش EB-PVD امکان ایجاد پوشش های ذیل را برای صنعت هوایی دارا می باشد:
| انواع پوشش | Ø پوششهای گرادیانی-کاربردی
Ø پوششهای سرامیکی چندلایه ضخیم Ø پوشش چندلایه بافته شده |
| فعالیتهای عملیاتی شده | v پوششها بر روی پرههای توربین گازی برای اهداف مختلف (هوایی، دریایی، نیروگاهی حرارتی)
v پوششدهی انواع ابزارها v پوششدهی با خواص ویژهی شیمیایی و فیزیکی v پوششهای بیولوژیکی v کاربردهای جدید مواد در فویل (ضخامت 2/0-1/0 میکرون)، (صفحه 2-5/0 میلیمتر یا میکرو لایههای کامپوزیتی) v پوششهای مقاوم در برابر خوردگی و اکسیداسیون (پوششهای از نوع MCrAlY که M=Ni, Co,Fe) v پوششهای سد حرارتی یکنواخت )پوششهای دولایه با لایه سرامیکی YSZ ایجاد شده بر روی پوشش باند MCrAlY ) v پوشش سد حرارتی گرادیانی- عملکردی) فلز و فلز-سرامیک، یکنواخت یا میکرو لایه لایه، افزایش ضخامت پوششها تا 2-1میلیمتر، سوپرآلیاژهای بر پایه Ni، ترکیب نزدیک به پره |
لطفا این جدول طراحی شود.
از بخش بسیار حساس و مهم در صنایع هواپیماسازی و هلکوپترسازی، بخش ایرونیوتیک میباشد. برای مثال ایجاد مقاومت به خوردگی در بلبرینگهای Indicatorها و جایروها، پوششدهی شفتهای و پوسته های گیربکسها و همچنین پوششدهی قطعات تیتانیومی اطراف موتور از جمله مورد کاربرد نانوپوششها در این بخش میباشد. گروه STI فرانسه از جمله شرکتهایی میباشد که به روشهای سنتی اقدام پوششدهی برخی قطعات ایرونیوتیک مینماید.
شرکتهایی که خودشان به عنوان سازندگان پرهها و غیره میباشند، بخشی مجزا برای پوششدهی این محصولات و عرضه آن با یک ارزش افزوده با بازار توجه نموده اند. شرکت اورلیکون متکو از جمله این شرکت ها میباشد. این شرکت پودرهای آلیاژی کبالت کروم (نیکل) تنگستن کربن را در ترکیبات مختلف تولید مینماید که در پوسته محفظه احتراق موتورهای توربینی، ایرفویلها، پرههای توربینی بخش داغ و غیره کاربرد دارند. با توجه به شکل زیر، پوششهای سد حرارتی در دیواره محفظه احتراق، پرهها و وینها، پوششهای PVD در پرههای کمپرسور برای بهبود مقاومت به فرسایش و سایش در موتورهای توربینی مورد استفاده قرار میگیرند. همچنین از پوششهای پاشش حرارتی کاربیدی برای محافظت در مقابل فرسایش و کویتاسیون در توربینهای Hydro Runners استفاده مینمایند.
لطفا این تصاویر بازطراحی شود.
مجموعه شرکت اورلیکون در بخشهای مختلف موتورهای توربینی، از پوششها بهره میگیرد. برای اجزای بخش داغ، از پوششهای TBC، پوششدهی سیلهای مسیر عبور گاز داغ و سرد، پوششهای لایه نازک برای محافظت در مقابل فرسایش با ذرات جامد، پوششهای سایشی بر روی فلنجها در مقابل فرسایش[9] استفاده میشود. با استفاده از فناوری پوششهای سد حرارتی بازدهی موتورهای 530 مگاواتی، 2% افزایش مییابد. پوششهای سد حرارتی موجب صرفه جویی 4800 میلیون لیتری و کاهش 3/12 میلیون تن گاز 2CO و همچنین افزایش 4 میلیارد دلار ارزش افزوده می گردند.
بخشهای فعال شرکت اورلیکون در زمینه پوششدهی.
خلاصه مدیریتی
در سالهای اخیر حل مشکلات صنایع هوایی بهعنوان یکی از اصلیترین صنایع کشور، بسیار مورد توجه فناوران و شرکتهای دانشبنیان قرار گرفته است. از سوی دیگر فناوری نانو، به عنوان یکی از فناوریهای کلیدی قرن بیست و یکم به عنوان راهکاری موثر برای بهبود فرآیندها و ارتقای عملکرد در این صنعت خواهد بود.
قطعات مورد استفاده در صنعت هوایی نقش بهسزایی در توسعه و کاهش هزینه در این صنعت دارد، ولی متاسفانه بهدلیل شرایط کاری شدید و محیط عملکرد، این قطعات مورد تخریب قرار گرفته و هزینههای بالایی برای این صنایع داشته است. در این گزارش سعی شده تا با نگاهی به فناوری نانوپوشش ها بتوان مشکلات این ابزارها را در حوزه سایش، فرسایش و خوردگی مرور نمود و برای آنها راهکاری ارایه داد.
در این رهگذر کارگروه صنعت و بازار ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، «مرکز توسعه نانوپوشش» را در سال 1393 تاسیس نمود. هدف این مرکز حل مشکلات صنعت در حوزه سایش، فرسایش و خوردگی با تاکید بر توان فناوری داخلی می باشد. لذا برای دستیابی به این مهم سازندگان تجهیزات لایهنشانی و مراکز خدمات فناوری را گرد هم آورده است تا بتواند از طریق حمایتهای مالی و معنوی خود مسیر رسوخ فناوری نانوپوشش در صنایع کشور را هر چه بیشتر تسهیل نماید.
[1] erosion
[2] fretting
[3] galling/seizure
[4] blades
[5] vanes
[6] thermal barrier coatings
[7] electron-beam physical vapor deposition
[8] burner cans
[9] fretting
————————————————–
تهیه و تنظیم:
- مرکز توسعه نانوپوشش گروه صنعت و بازار با همکاری بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]
[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]
====================================================================================
