Hur kan flygmotorer bli mer effektiva? Ett sätt är att låta dem arbeta vid högre temperaturer, vilket förbättrar bränsleeffektiviteten och minskar utsläppen. I sin doktorsavhandling vid Högskolan Väst har forskaren Achmad Ariaseta studerat två nya superlegeringar som är utvecklade för att klara extrem värme i framtidens jetmotorer. Frågan han ville besvara var: Går de här avancerade materialen att svetsa utan att sprickor bildas?
Flygmotorkomponenter tillverkade av Alloy 718 har varit industristandard i decennier. Dessa komponenter är dock begränsade till drift vid temperaturer under cirka 650 °C. För att kunna gå över denna gräns och öka effektiviteten har nya nickelbaserade superlegeringar utvecklats. De klarar temperaturer närmare 750 °C.
–Min forskning fokuserar på hur dessa nya superlegeringar beter sig vid svetsning. Först ville vi förstå hur benägna de är att spricka vid svetsning. Därefter undersökte vi de metallurgiska faktorer som orsakar mikroskopiska sprickor och, viktigast av allt, hur risken för sprickbildning kan minimeras genom att anpassa legeringarnas mikrostruktur före svetsning, säger Achmad Ariaseta.
Att titta in i metallen
I sin avhandling “Microstructural Analysis and Weld Hot Cracking Susceptibility of Next-Generation Nickel-Based Superalloys: VDM Alloy 780 and Alloy G27” studerade Achmad materialen i extremt liten skala. Med avancerade elektronmikroskop kunde han analysera strukturer ner till en nanometers nivå – nära atomnivå. På dessa skalor kan små korngränser bli svaga punkter där sprickor börjar bildas.
–Vid svetsning smälter man materialet lokalt i det som kallas den värmepåverkade zonen. Det området blir svagare eftersom en del av materialet övergår i flytande form. När den vätskan längs korngränserna utsätts för termiska spänningar under svetsningen kan sprickor uppstå.
Forskningen inkluderade också omfattande svetsbarhetstester. Prover svetsades upprepade gånger och utsattes för belastning för att framkalla sprickor, som sedan analyserades genom att längden på varje enskild spricka mättes.
Bor är boven
En av de mest oväntade upptäckterna rörde grundämnet bor. Små mängder av bor tillsätts medvetet i superlegeringar eftersom det förbättrar prestandan under drift i motorer. Men vid svetsning kan samma ämne plötsligt orsaka problem.
Förklaringen är att boratomer kan ansamlas i specifika mikroskopiska områden, så kallade korngränser, under svetsning. Detta påverkar hur metallen stelnar och ökar risken för sprickbildning.
–Bor är lite av ett tveeggat svärd. Ur svetsningsperspektiv kan det faktiskt vara problematiskt. När bor koncentreras lokalt vid korngränserna under svetsning blir temperaturskillnaden mellan liquidus och solidus större vid stelningen av vätskan i korngränsen, vilket ökar sprickkänsligheten, säger Achmad Ariaseta.
Att hitta ett “recept” för säkrare svetsning
Achmad visade att detta kan hanteras med noggrant kontrollerad värmebehandling. Genom att justera temperatur och uppvärmningstid före svetsning kunde han ta fram en optimal mikrostruktur som hindrar sprickbildning.
–Vi tog fram ett värmebehandlingsrecept med en specifik temperatur och hålltid som gör mikrostrukturen mer motståndskraftig mot sprickor vid svetsning. När det gäller VDM Alloy 780 är materialet mycket, mycket svetsbart. Även när kornstorleken var sex gånger större än i den vanligen använda Alloy 718 uppstod färre sprickor.
Riktlinjer för industrin
Forskningen har resulterat i praktiska riktlinjer för värmebehandling av VDM Alloy 780 och G27 som kan användas i industrin. Det kan även hjälpa flygmotortillverkare att välja material, svetsmetoder och svetsparametrar för framtida motorkomponenter tillverkade av de nya superlegeringarna – ett viktigt steg mot effektivare och potentiellt mer klimatvänliga flyg.
–Företag som GKN Aerospace i Trollhättan, som varit en värdefull partner i min forskning, är intresserade av att använda dessa material i framtida motorkomponenter, säger han.
Driven av nyfikenhet
Det som driver Achmad som forskare är just nyfikenheten. Han tycker om att utforska och lösa problem.
–När något fortfarande är oförklarat vill jag förstå det ännu mer. Det mest fascinerande är när man till slut hittar kopplingen mellan ett fenomen och dess verkliga grundorsak.
Den processen var särskilt utmanande i hans doktorandprojekt eftersom materialen han studerade var helt nya. Det fanns väldigt lite av tidigare forskning att luta sig mot.
–Jag kunde inte hitta särskilt mycket relevant litteratur. Vi fick utforska det på egen hand.
Tillbaka till Indonesien
Efter mer än fem år i Trollhättan förbereder sig Achmad Ariaseta för att återvända hem för att bli biträdande professor vid Bandung Institute of Technology i Indonesien. Där hoppas han också kunna fortsätta samarbetet med sina svenska kollegor i Trollhättan.
