De tittar in i superlegeringens inre

Sten Johansson och hans forskargrupp i konstruktionsmaterial skådar in i superlegeringars inre. Att veta exakt hur ett material utmattas och slutligen brister är av avgörande betydelse för att kunna öka effektiviteten i gasturbiner och jetmotorer.

För att producera el från solstrålar, strömmande vatten eller heta gaser behövs turbiner. Med kraven på minskade koldioxidutsläpp krävs också att turbinerna blir allt effektivare och att de kan drivas vid allt högre temperaturer. Självklart ställs då än högre krav på de material som används i turbinbladen, eller i flygplanens jetmotorer. Materialet måste tåla stor belastning i mycket höga temperaturer under lång tid och får inte heller korrodera.
En titt i superlegeringen inre
Viktigt är också hur materialet beter sig när det börjar bli slitet och utmattat. Ett material som spricker sprött med en skarp snittyta ger ingen förvarning, det brister tvärt med ett kostsamt haveri som följd. Om materialet däremot dras ut, deformeras plastiskt, försämras bara funktionen och felet kan åtgärdas utan risker för katastrof.

Enkristallint material

Det materialforskarna nu specialstuderar är en nickelbaserad legering, CMSX-4, som är en så kallad superlegering eftersom den har superegenskaper. Den är förhållandevis spröd i rumstemperatur men blir oerhört stark vid höga temperaturer - den tål hög belastning och korroderar inte. Materialet kan också gjutas så att ett helt turbinblad består av en enda kristall, vilket innebär att det inte finns några korngränser där det annars lätt uppstår sprickor när material belastas. Men även superlegeringar brister och tidigare har forskarna inte vetat hur de mekanismerna ser ut.


Närmast av en slump upptäckte Sten Johansson, professor i konstruktionsmaterial på Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling, att en nygammal teknik att titta på materialet med svepelektronmikroskop innebar enorma möjligheter att titta in i materialets inre. Genom att studera små provstavar som utsatts för hög värme och upprepad belastning tills de havererar har forskarna lyckats tränga in i superlegeringens inre och hittat lösningen på gåtan.
Tvillingar i en superlegering
De kunde visa att när superlegeringen, som består av nickel och ett stort antal andra grundämnen, belastas gång på gång förändras så småningom delar av strukturen vilket visar sig som ljusa band i elektronmikroskopet. Fortsätter belastningen skapas utmed banden en spegelbild av molekylstrukturen, en tvilling. Där två eller flera tvillingar korsar varandra uppstår nya kristaller i materialet. Det blir polykristallint, vilket innebär att det snabbt försvagas och slutligen brister tvärt.

Bilder av materialets inre

Tekniken som används för att på detta sätt få en skarp bild av hur materialet omvandlas under ytan kallas Channeling, eller egentligen Electron Channeling Contrast Imageing. Den går förenklat ut på att elektroner med hög energi skickas in i materialets yta. Beroende på hur varje elektron färdas inne i kristallstrukturen så passerar de antingen rakt igenom i de kanaler som atomplanen bildar inne i materialet, eller så krockar de med en atom och studsar tillbaka i någon vinkel. Med hjälp av kontrasten från de studsande elektronerna kan forskarna skapa bilder av materialets inre.

Genom att jämföra bilder av det jungfruliga materialet med bilder från material som börjar bli utmattat och slutligen havererar kan alltså Sten Johansson och hans grupp visa exakt vad som sker inne i materialet under drift.

Med hjälp av elektrondiffraktion, Electron BackScattering Diffraction, kan de också studera brottytor och se hur kristallerna är orienterade.

- När man inte vet vad som händer inne i materialet måste man mäta hur materialet reagerar på yttre laster och på variationer i temperaturen, men vet man vad som händer i materialet, på atomnivå, kan man arbeta mera målinriktat för att förbättra egenskaperna, säger Sten Johansson.

Nästa steg blev därför att värma upp en provstav av materialet till 1000 grader under mer än 500 timmar och därefter utsätta den för samma belastning som den tidigare provstaven. De fann då att när materialet mattades ut denna gång brast det inte tvärt, utan förändrades istället plastiskt, ett beteende som forskarna också kunde förklara med hjälp av den information som tekniken med Channeling gav.

- Vi fann att de deformationsmekanismer som i normala fall är tillämpliga inte alltid beskriver beteendet vid en plastisk deformation i superlegeringen. Istället förekommer här andra typer av mekanismer som baserar sig på bildandet och tvillingar och en spänningsinducerad atomdiffusion - där atomerna sprider sig lite slumpmässigt i materialet - kallat superrafting, berättar Sten Johansson. (bilden nedan)
Superrafting
Resultatet publicerades i Acta Materiala 2009.

Kunskap av ökad betydelse

Kunskaperna om de här fenomen blir allt viktigare eftersom man vill kunna förutsäga utmattning och skador i materialen genom modellering och simulering i dator.

Sten Johansson och hans grupp arbetar nära industrier som Siemens, Sapa, Gränges och Scania som alla har starka intressen i materialutvecklingen. Det handlar inte bara om studier av nickelbas-legeringar utan även om exempelvis spänningar i gjutjärn, beläggningar av ytor som gör materialen tåligare eller studier av andra högtemperaturlegeringar.

- Förtroendet för oss är stort och vår forskning är starkt kopplad till industrins behov. Men medan de inom industrin ofta nöjer sig med att gå halvvägs söker vi oss fram hela vägen för att verkligen förstå mekanismerna. Vi kan sedan återkomma till dem med nya kunskaper de har stor nytta av. Jag har också förmånen att arbeta i en mycket bra grupp där vi också utbildar duktiga ingenjörer som bidrar med sina kunskaper när de kommer ut i arbetslivet, säger Sten Johansson.

Monica Westman-Svenselius 2013-11-28

Sten Johansson, professor i konstruktionsmaterial

Sten Johansson, professor emeritus, Foto: Monica Westman
Forskar kring karakterisering och utveckling av material och processer med tydlig industrikoppling, som lätta material och legeringar, kompositer och olika sammansatta material. Det handlar även om högtemperaturmaterial, liksom keramiska och metalliska beläggningar. Gruppen studerar även gjutprocesser, värmebehandling och höghastighetsbearbetning av material.

Forskargruppen växer stadigt, men består just nu av 15 medarbetare, varav tre seniora forskare och åtta doktorander.

Forskning

Forskare