I superlegeringarnas inre

Effektiva turbiner som genererar allt mer el är målet för Mikael Segersälls forskning. I sin doktorsavhandling har han studeratsuperlegeringars inre för att få svar på hur och varför materialen spricker.

Gasturbiner används för att generera el och de behövs också allt oftare för att jämna ut elproduktionen när solen döljs bakom tunga moln eller vinden står helt stilla. Skoveln i turbinen är den del som utsätts för de största belastningarna, framför allt när turbinen startas och stoppas. Stora forskningsinsatser läggs nu ner för att hitta de bästa och mest hållfasta materialen – inte minst viktigt när turbinen finns i en flygmotor, men även för elproduktion.
Mikael Segersäll konstruktionsmaterial
- Gasturbiner som används för elproduktion har tidigare mest stått och gått. Man kanske startar och stoppar dem 500 gånger under hela deras livslängd. När de nu allt oftare ska fungera som reservkraft behöver de klara att startas och stoppas 5000 gånger eller mer, säger Mikael Segersäll, nybliven doktor i konstruktionsmaterial vid Linköpings universitet.

Superstarka material

Gasturbinernas skovlar gjuts i olika nickelbaserade så kallade superlegeringar, där man tillsatt olika ämnen för att förbättra materialets egenskaper. Det är material som är förhållandevis svaga i rumstemperatur men som får superstyrka vid höga temperaturer. En gasturbin arbetar bättre, är effektivare, ju varmare det blir men arbetstemperaturen ligger ofta runt 1000°.

Superlegeringarna har också en annan fördel: Medan de flesta metaller består av en mängd små korn som ligger huller om buller och bildar kristaller kan superlegeringarna gjutas som en enda kristall. Det är också nyckeln till att de håller så bra - det finns inte några korngränser där sprickor kan uppstå.

Men även de enkristallina materialen blir så småningom utmattade, vilket innebär att det bildas små sprickor i materialet som leder till avbrott eller i värsta fall till ett haveri, om inte turbinbladet bytts ut innan dess. Det är här Mikael Segersälls forskning kommer in. Forskargruppen i konstruktionsmaterial på Linköpings universitet är nämligen specialister på att titta in i superlegeringarnas inre. De har funnit nya hittills okända fenomen som uppstår i kristallen när den utsätts för upprepad belastning i form av högt tryck och hög värme.

- Ju mer vi vet om vilka fenomen som leder till sprickor desto bättre datormodeller kan vi ta fram. Vi lär oss hur vi kan påverka hållfastheten men kan också simulera och förutspå när ett visst material börjar bli utmattat och exempelvis ett turbinblad måste bytas ut, säger Mikael Segersäll.

Termomekanisk utmattning

I sin doktorsavhandling har han studerat några olika superlegeringar, bland annat en helt nyframtagen som Siemens Industrial Turbomacninery är mycket intresserade av.
Provstavar
I labbet utsätter han provstavar av materialen för hög mekanisk last omväxlande med hög värme, vilket ger så kallad termomekanisk utmattning. Testerna ska simulera hur en turbin startas med lågt tryck och låg värme, dras igång till full fart där trycket byggs upp och temperaturen ökar till 850°, för att sedan efter några minuter åter stanna av och svalna. Gång, på gång, på gång. Den provstav som på bilden till höger sitter i testriggen har klarat fler än 1400 cykler och visar inga tecken på att vilja brista. När brottet så sker flyttas staven till ett svepelektronmikroskop bland annat, där strukturen i kristallen studeras på atomnivå.

I en av avhandlingens artiklar har Mikael Segersäll studerat en legering där man förutom de övriga legeringsämnena, som exempelvis krom, koppar och aluminium, även lagt till kisel.

- Materialets livslängd fördubblas när det legeras med kisel, berättar han.

Förutom att materialet ska tåla att belastas och värmas upp gång på gång handlar forskningen också om att hitta materialblandningar som tål ännu högre temperaturer. Ju högre arbetstemperatur desto effektivare arbetar gasturbinen.

- Materialet ska klara både de höga belastningarna och höga temperaturer, det är viktigt för att få en effektiv, säker och miljövänlig elproduktion, säger Mikael Segersäll, som även varit en del av Agora Materiae, en tvärvetenskaplig forskarskola inom materialvetenskap vid Linköpings universitet.

- Avhandlingen ger flera viktiga bidrag till forskningen kring termomekanisk utmattning och jag konstaterar att tre av artiklarna i avhandlingen publicerats i mycket högt rankade tidskrifter, berömde den franske opponenten, assisterande professor Jonathan Cormier, Institut Pprime.

Avhandlingen:

On Thermomechanical Fatigue of Single-Crystal Superalloys, Mikael Segersäll, Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling, Linköpings universitet, 2014.

Relaterade länkar

Forskarskolan Agora Materiae

De tittar in i superlegeringens inre, fenomenen beskrivs på LiU:s forskningswebb


Monica Westman Svenselius 2014-12-01
monica.westman@liu.se

Forskare