Ученые получили жаростойкое покрытие из церата стронция

12:14, 2 ноября 2023

Разработка повысит устойчивость газотурбинных двигателей к износу и коррозии

Установка, которая распыляет термобарьерное покрытие на детали газотурбинного двигателя. Фото из личного архива Николая Барашева

Ученые УрФУ совместно с коллегами из УрО РАН и Технического университета Малека Аштера (Иран) разработали термобарьерное покрытие из церата стронция для газотурбинных двигателей (ГТД). Покрытие не уступает аналогам по тепловым нагрузкам (выдерживает до 1200 ℃) и устойчиво при длительном высокотемпературном воздействии: не разрушается и не меняет форму, что предотвращает коррозию и быстрый износ деталей двигателя. Кроме того, покрытие из церата стронция обойдется в несколько раз дешевле аналогов. Данная разработка может быть использована в различных областях, где требуются высокопроизводительные и надежные ГТД — в авиации, энергетике, кораблестроении и т. д. Подробная информация опубликована в Surface and Coatings Technology.

«Современные ГТД являются дорогостоящими и технически сложными установками, которые используются в авиации, энергетике, военно-промышленном комплексе. Эффективность таких установок зависит от температуры рабочих газов перед турбиной — чем выше температура, тем меньше нужно топлива для создания той же мощности. Однако значительное повышение температуры приводит к быстрому износу ГТД из-за температурной коррозии. Одним из решений является разработка новых термобарьерных покрытий», — поясняет руководитель проекта, старший научный сотрудник лаборатории ионики твердого тела ИХТТ УрО РАН Роман Шишкин.

Принцип работы ГТД выглядит следующим образом — из компрессора в камеру сгорания попадает сжатый атмосферный воздух, который, смешиваясь с топливом, начинает воспламеняться и высвобождать большое количество энергии в виде горячих газов. Они преобразуются в механическую работу и приводят в действие турбину. Чтобы защитить двигатель от перегрева и сохранить его производительность, на поверхность наносится термобарьерное покрытие, которое создает теплоизоляционный слой, защищающий ГТД от теплового удара. В настоящее время такие покрытия создают из диоксида циркония, однако и он имеет свои недостатки.

«Сегодня в качестве термобарьерных покрытий в основном применяется диоксид циркония, стабилизированный иттрием, который показывает сопротивление тепловому удару и тепловой усталости до 1200 °С. Тем не менее данный материал обладает рядом критических недостатков — при длительном высокотемпературном применении происходит ускоренное спекание вещества и его разрушение. Это мотивирует ученых по всему миру, в том числе и нас, искать новые материалы для термобарьерных покрытий. Церат стронция является наиболее перспективным материалом, который в будущем сможет преодолеть планку в 1200 °С и стабильно работать при температурах 1300 °С и больше, что будет выгодно отличать его от аналогов. Однако для этого потребуются дальнейшие исследования», — поясняет младший научный сотрудник лаборатории композитных материалов, пленок и покрытий УрФУ Николай Барашев.

Термобарьерное покрытие из церата стронция наносят методом атмосферного плазменного напыления. В этом случае порошок церата стронция попадает в плазменную струю, где быстро плавится, а затем распыляется на поверхность детали двигателя. Чтобы проверить жаропрочность покрытия, ученые нанесли его на никелевый суперсплав, который затем поместили в трубчатую печь и выдерживали при температуре 1200 °С в течение пяти минут, после чего вынимали и охлаждали в течение такого же времени. После 44 таких температурных циклов покрытие сохранило свою прочность и целостность.

В целом, отмечают ученые, устойчивость к высоким температурным нагрузкам и низкая теплопроводность делают термобарьерные покрытия на основе церата стронция перспективными для дальнейших исследований.

Отметим, что исследование выполнено при поддержке Стипендии и гранта Президента РФ (№ МК-4058.2022.4). Экспериментальные работы проводились в рамках государственного задания № АААА-А19-119031890026-6.

Справка

По данным Fortune business insights, размер мирового рынка газовых турбин в 2022 году составлял 19,7 млрд долларов. По прогнозам, к 2030 году размер рынка увеличится до 27,6 млрд долларов. Ключевыми игроками на глобальном рынке газотурбинных двигателей являются General Electric — Alstom (CША/Франция), Siemens (Германия), Mitsubishi Hitachi Power Systems (Япония), Rolls-Royce (Великобритания).

На конец 2022 года, по данным Fortune business insights, 47 % всех газотурбинных двигателей применялись на энергетических предприятиях, около 28 % использовались в авиации. Остальные 25 % приходились на нефтегазовый сектор и тяжелую промышленность.

Сергей Лукьянченко