Warmte- en oppervlaktebehandelingen voor kleppen
Oppervlaktecoatings voor kleppen en alternatieve lichte metalen
Als het aankomt op het selecteren van lichtmetalen, wagen de meeste ingenieurs zich niet ver van Al-, Mg- en Ti-legeringen. Dit artikel onderzoekt echter de toepassingen en voordelen van enkele van die minder gebruikte lichtmetalen, zoals zirkonium, tantaal en hafnium.
Ontwikkelingen in materiaalkunde en onderzoek naar oppervlaktecoatings hebben ertoe geleid dat lichte legeringen een van de meest gebruikte metalen zijn geworden in zware operationele omgevingen. Van de intense druk van de olie- en gasindustrie tot de lichtgewicht maar taaie bewegende onderdelen van vliegtuigen, lichte legeringen zijn enorm gangbaar. De medische en defensie-industrieën staan ook niet afkerig tegenover het gebruik van lichte legeringen.
De meeste materiaalkundigen en wetenschappers wenden zich tot de lichte metalen aluminium, magnesium en titanium als oplossing voor hun veeleisende technische uitdagingen. Maar er zijn andere alternatieve lichte metalen met specifieke eigenschappen die ze geschikt maken voor zeer specifieke toepassingen met hoge prestaties. Sommige hiervan zijn minder bekend, maar verdienen het om in dezelfde schijnwerpers te worden gezet als hun meer bekende tegenhangers.
Valve metalen bevatten elementen zoals zirkonium en tantaal en staan bekend om hun hoge corrosiebestendigheid, extreme temperaturen, diëlektrische en supergeleidende eigenschappen. Sommige valve metalen absorberen geen neutronen en worden daarom veel gebruikt bij de opwekking van kernenergie met nul-emissie.
Net als bij de bekendere lichte metalen, zoals aluminium en magnesium, kunnen de eigenschappen van klepmetalen worden verbeterd met behulp van oppervlaktecoatings.
Wat zijn de voordelen van alternatieve klepmetalen?
De kernklepmetalen worden veel gebruikt in veel industriële sectoren. De meeste worden gebruikt in een reeks staal en lichte metaallegeringen om extra sterkte en corrosiebestendigheid te introduceren, naast andere kenmerken. En de gemeenschappelijke hitte- en corrosiebestendigheidseigenschappen betekenen dat de metalen, hun legeringen en oxiden worden gebruikt in een reeks laboratorium- en chemische apparatuur.
Omdat het geen neutronen absorbeert en hitte- en corrosiebestendig is, worden zirkoniumlegeringen vaak aangetroffen in leidingen van kerncentrales, bekleding van brandstofstaven en structurele componenten. De hittebestendige eigenschappen betekenen dat het wordt aangetroffen in ruimtevaartuigen, straalmotoren en gasturbineonderdelen. Zirkonen staan ook bekend als halfedelstenen die lijken op diamanten – kubieke zirkonia is ook veel, veel goedkoper.
Niobium wordt ook gebruikt in ruimtevaart- en luchtvaarttoepassingen. In deze vorm wordt het aangetroffen in structurele materialen voor de bouw, offshoreplatforms en in olie- en gasleidingen en verdeelstukken. Met zijn supergeleidende eigenschappen wordt niobium veel gebruikt in elektronica en de magneten die worden gebruikt in medische beeldvormingsapparatuur zoals NMR- en MRI-scanners, vaak in combinatie met zirkonium.
Het oxide zorgt ervoor dat brillenglazen dunner worden door de brekingsindex van glas te verhogen. Apparaten zoals pacemakers en andere medische hulpmiddelen zijn fysiologisch inert en hypoallergeen en bevatten niobiumlegeringen. Oppervlaktecoatings kunnen worden gebruikt om een poreuze toplaag te creëren die bijdraagt aan de snelheid en het succes van osseointegratie.
De diëlektrische oxidelaag die zich op het oppervlak vormt en het vermogen om dun op andere componenten te worden aangebracht, maakt tantaal tot een zeer effectieve condensator met een klein volume. In deze vorm wordt het gebruikt in mobiele telefoons en andere elektronische apparaten. En het heeft dezelfde versterkende eigenschappen als andere klepmetalen, dus werd het vaak gebruikt in neuskegels van Concorde-vliegtuigen, raketmondstukken en turbinebladen. Tantaal wordt ook aangetroffen in chirurgische implantaten, omdat het niet giftig is en geen immuunreactie veroorzaakt bij zoogdieren.
Oppervlaktetechniektechnologieën voor klepmetalen
Ondanks hun over het algemeen indrukwekkende prestatiekenmerken, hebben klepmetalen ook enkele zwakke punten. Zo reageren zirkoniumlegeringen onder hoge temperatuuromstandigheden boven de 900 graden Celsius met water om waterstofgas te creëren en de bekleding van kernbrandstofstaven af te breken.
De unieke eigenschappen van niobium zorgen ervoor dat het in veel veeleisende toepassingen kan worden gebruikt. Wanneer het echter wordt blootgesteld aan temperaturen hoger dan 400 graden Celsius, oxideert het en wordt het bros. Tantaal is zeer inert en daarom bestand tegen de meeste zuren en alkaliën, en kan worden gecorrodeerd door verhitte alkaliën, heet zwavelzuur en waterstoffluoridezuur.
Op dezelfde manier waarop de meer gangbare lichte metalen worden verbeterd, kunnen deze chemische en mechanische gebreken die door klepmetalen worden getoond, eenvoudig worden aangepakt. Oppervlaktecoatings kunnen beschermen tegen specifieke corrosieve stoffen, bieden extra hittebescherming en kunnen worden ingezaaid met additieven die andere prestatieverbeteringen bieden.
Eén aanpak is om een geavanceerde oppervlaktecoatingtechnologie toe te passen, zoals plasma-elektrolytische oxidatie (PEO). Hierbij wordt gebruikgemaakt van een elektrolytbad en plasma om een keramiekachtige coating te vormen op zowel de bekendere lichte metalen als klepmetalen. De van PEO afgeleide coating heeft veel gunstige eigenschappen die het originele metaal en de metaallegering en hun basisoxidecoatings niet hebben. Onderzoekers bij Jewellok hebben uitgebreide ervaring als het gaat om het ontwikkelen van unieke coatings die de prestaties van alle klepmetalen op unieke wijze verbeteren.