お客様の挑戦
ジェットエンジンのタービンは、過酷な温度環境の中で長期間使用され、何百万マイルもの空の旅を経ても、完璧に動作しなければなりません。遮熱塗料はそれを可能にする技術の一つです。薄いセラミック層の低い熱伝導率によってタービンブレードは非常に高い温度に耐えることができ、ジェットエンジンの効率的な運用が可能になります。
現在、オーランドにあるセントラルフロリダ大学では、遮熱コーティングに関する先進的な研究が行われています。同校は、高度な技術を持つ人材を育成し、航空宇宙産業のための新技術を設計するために設立されたフロリダ先進航空推進装置センター（FCAAP）のパートナー大学であり、州政府が出資する研究組織です。UCF では、機械・材料・航空宇宙工学の研究者が遮熱コーティングの酸化物におけるひずみの変化を研究し、タービンの性能向上に役立つ知見を得ています。
Seetha Raghavan 博士は、学生チームを率いて、特定の熱的/機械的負荷が加わった際の遮熱コーティングの酸化層の挙動を分析しています。研究チームは、分光法と高エネルギーX線の両方を用いて、熱的/機械的負荷を受けた試料の現場測定を実施しています。この方法により、Raghavan 博士のチームは、高強度セラミックがどのように破損するかをリアルタイムで正確に観察することができます。
これまで、ひずみを伴うスペクトル信号の観察は、マイクロプローブを用いたテストセットアップに限られていました。しかし、この方法では、スペースに制約があるため、機器の統合が難しくなります。マイクロプローブのスペースに収まるような特殊な装填装置を開発しようとすると、これまでのところ、最大装填範囲、制御、精度に瑕疵があるシステムになってしまいます。
この課題を克服するため、Raghavan 博士は、光ファイバープローブを備えた Rwnishow Raman 分光計を採用し、これをMTS のシステムと組み合わせることで、高精度の Raman/フォトルミネッセンスデータ取得と、遠隔非接触レーザーによる現場での荷重印加を可能にしました。しかし、これによって新たな課題が加わりました。分光計からのデータと荷重印加システムからのデータは相互作用する必要があり、両方のデータストリームは圧縮または引張時にリアルタイムでストレスマップを作成する必要がありました。
さらに課題となったのは、遮熱コーティングの酸化物の中にある高い圧縮ひずみでした。圧縮試験でスペクトルのピークをひずみで較正するには，比較的小さな断面積のアルミナ試料に大きな荷重をかける必要がありました。圧縮強度は引張強度よりも 10 倍以上高いため、高品質なデータを取得し、早期破壊を回避するためには、圧縮荷重を非常に均一かつ正確にかける必要があります。
「当社は、他のいくつかの機器との複雑なセットアップの中で、精密で信頼性の高いローディングと優れた制御を必要としていました」と Raghavan 博士は言いました。
MTS のソリューション
これらのニーズを満たすために、Raghavan 博士は、ツインコラム、50 kN の卓上設計を特徴とする MTS Insight 50 システムを選択しました。このシステムは、連続負荷時の高解像度制御と、自動応力マップ生成時の負荷保持を可能にします。これらは、分光法を用いて遮熱コーティング内の酸化物のひずみ挙動を調べる上で重要です。
「MTS Insight 50 システムを選んだのは、高強度のセラミックスを現場における分光法で応力試験できるからです」と Raghavan 博士は語りました。「さらに、このような複雑なセットアップを統合する方法を理解しているMTSの技術者と一緒に仕事ができるという利点もあります」
電気機械式の MTS Insight 負荷フレームは、クラス最高の TestWorks® ソフトウェアによって駆動されますが、これは UCF チームのニーズを満たすために不可欠です。このソフトウェアは、独自に開発した分光器ソフトウェアとシームレスに接続する必要があります。また、分光器の荷重プロットを正確に行うためには、荷重をかけると同時に分光器の信号を確実に記録する必要があります。
「MTS の技術者は、TestWorks ソフトウェアをデータ収集時間に合わせたり、ひずみを保持するためにソフトウェアを修正したりするのに特に役立ちました」とRaghavan 博士は述べています。「技術者らは、この斬新な機器の組み合わせを我々の仕様通りに動作させることに純粋に興味を持っていました」
研究所の機器や手法が高度に洗練されていたとしても、その操作が直感的で使いやすいことは重要です。
「当社の学科の設計の 4 年生は、この新しい機器のためのハードウェアとソフトウェアの統合モジュールの開発に挑戦しました。シニア設計チームが機器を統合する際、MTS のソリューション全体によってTestWorks ソフトウェアの理解に多くの時間を費やす必要がなく、非常に役立ちました」と Raghavan 博士は述べています。「本当にフレキシブルで、学生にとっても操作しやすいインターフェースです。また、研究室の授業にも非常に役立ちます」
お客様のメリット
Raghavan 博士は、この部門が行っている遮熱コーティングの研究が、航空宇宙産業全体のためのより効果的な構造および材料特性評価ツールにつながると考えています。
「これは非常にエキサイティングな、新進気鋭のテクノロジーです」と彼女は言います。「これらのテスト機能により、非侵襲的な測定の高度な方法が得られ、現場での機械的特性評価の面で大きく前進することになるでしょう。この方法は、高強度セラミックや炭素添加複合材料を現場でリアルタイムに評価できる可能性を秘めています。このプロジェクトは、航空宇宙や材料科学の幅広い分野に大きな影響を与えるでしょう」
重要なのは、高精度で一貫した荷重をかけてスペクトルピークを較正することですが、これらはすべて TestWorks ソフトウェアと MTS Insight 50 システムを使って簡単に実現できます。
「当社の研究室では、信頼性の高い高精度な荷重を行い、高品質で高解像度の荷重測定を一貫して行うことが不可欠です。だからこそ、当社は MTS を選んだのです」とRaghavan博士は語ります。
精密なハードウェアに加えて、 MTS 技術者の積極的なアプローチにより、研究所では、効果的な試験ソリューションを迅速かつ容易に構築することができました。
「MTS の技術者たちは当社のプロジェクトに興奮していました」と Raghavan 博士は語ります。「技術者たちは、この非常にユニークなテストアプリケーションに必要なものを理解するために、本当に積極的に協力してくれました。MTS の製品を購入する前に、統合についてかなり話し合いましたが、MTS はソフトウェアの互換性について分光器メーカーと直接話し合いました。当社の目標達成のためにあらゆる努力をしてくれました。当社は共に、非侵襲的な材料特性評価の可能性の限界を押し広げることに成功しています」
