Modern bir jet motorunun kalbinde, sıcaklıklar 1500°C'nin üzerine çıkabilir. Bu sıcaklık, kanatların yapıldığı nikel bazlı süper alaşımların erime noktasına (yaklaşık 1300°C) tehlikeli derecede yakındır, hatta bazen geçer. Peki, metal kanatlar nasıl oluyor da erimeden binlerce saat boyunca çalışabiliyor? Cevap, malzeme biliminin en sofistike çözümlerinden birinde saklı: Termal Bariyer Kaplamaları (TBC).
TBC, metal yüzeylere uygulanan, genellikle 100µm ile 2mm kalınlığında olan, çok katmanlı, yalıtkan bir seramik sistemidir. Bu kaplamalar, motorun yanma odasındaki aşırı sıcak gazlar ile metal kanat arasında bir "termal kalkan" görevi görür. TBC sayesinde metal yüzeyin sıcaklığı 100°C ila 300°C kadar düşürülebilir. Bu düşüş, motorun ömrü ve verimliliği için hayati öneme sahiptir.
Başarılı bir TBC sistemi tek bir malzemeden oluşmaz; birbirini tamamlayan katmanlardan oluşan bir mühendislik harikasıdır:
Alt Tabaka (Substrate - Süper Alaşim): Genellikle tek kristalli (single crystal) nikel veya kobalt bazlı süper alaşımdır. Mekanik yükü taşıyan kısımdır.
Bağ Katmanı (Bond Coat - MCrAlY): Metal tabaka ile seramik kaplama arasındaki "arabulucu"dur. Metalik (M=Ni, Co) bir yapıdadır.
Görevi: Seramiğin metale yapışmasını sağlar ve metal yüzeyin oksitlenmesini (korozyonu) önler.
Termal Oksit Tabakası (TGO): Çalışma sırasında bağ katmanı üzerinde oluşan çok ince, doğal bir alüminyum oksit tabakasıdır. Oksijenin metale ulaşmasını engelleyen son savunma hattıdır.
Üst Kaplama (Top Coat - Seramik): Isıyı yalıtan asıl katmandır. Endüstri standardı malzeme %8 İtriya Stabilize Zirkonya (8YSZ) tozudur.
Neden YSZ? Çok düşük ısı iletkenliğine sahiptir ve termal genleşme katsayısı metale yakındır, bu sayede ısınma-soğuma döngülerinde çatlamaz.
Bu kaplamaların yüzeye nasıl uygulandığı, performanslarını belirler:
Atmosferik Plazma Sprey (APS): Seramik tozları plazma alevinde eritilir ve yüzeye püskürtülür. Daha ekonomik ve yaygındır. Genellikle yanma odası parçalarında kullanılır. "Splat" (ezilmiş damla) yapısı sayesinde iyi yalıtım sağlar.
Elektron Işını Fiziksel Buhar Biriktirme (EB-PVD): En kritik dönen parçalar (türbin kanatları) için kullanılır. Seramik malzeme vakum altında buharlaştırılır ve yüzeyde sütunsal (columnar) bir yapı oluşturur.
Avantajı: Bu sütunlar, kanat genleştiğinde birbirinden ayrılarak esner (bir mısır tarlası gibi). Bu, termal şoklara karşı muazzam bir dayanıklılık sağlar.
Daha Yüksek Motor Verimliliği: Termodinamik kurallarına göre, yanma sıcaklığı ne kadar yüksekse motor o kadar verimli çalışır. TBC, motorun daha sıcak çalışmasına izin vererek yakıt tasarrufu sağlar.
Parça Ömrü: Metalin sıcaklığını düşürerek sürünme (creep) ve termal yorgunluğu azaltır.
Güvenlik: Kanatların erimesini ve motor arızalarını önler.
Motor teknolojisi geliştikçe sıcaklıklar artıyor ve standart YSZ kaplamalar 1200°C'nin üzerinde faz değişimi yaşayarak bozulabiliyor. Bu nedenle bilim insanları, Nadir Toprak Zirkonları (Rare Earth Zirconates) ve Perovskit yapılı yeni nesil tozlar üzerinde çalışıyor. Nanokarbon veya nano yapılı kaplamalar da araştırma konusu.
Bir dahaki sefere bir uçağa bindiğinizde, sizi havada tutan motorların içindeki o incecik seramik katmana teşekkür edebilirsiniz. Sadece bir saç teli kalınlığındaki bu toz katmanı, modern havacılığın sınırlarını belirleyen en önemli teknolojilerden biridir.
