Ученые Самарского университета им. Королёва — вуза-участника национального проекта «Наука и университеты» — создали экспериментальный образец инновационного плазменного покрытия, которое защитит внутренние элементы конструкции ракетных и авиационных двигателей от экстремально высоких рабочих температур. По словам разработчиков, благодаря этому жаропрочному покрытию срок службы важнейших деталей горячего тракта двигателей может увеличиться в два-три раза.
«В ходе исследований была разработана технология нанесения покрытия и изготовлен первый экспериментальный образец наноструктурированного термобарьерного покрытия для защиты элементов двигателя от воздействия экстремально высоких рабочих температур. Покрытие нанесено на небольшую пластину из жаростойкого материала, из которого обычно изготавливаются лопатки первой ступени турбины газотурбинного двигателя. Согласно нашим расчетам, внедрение данной инновации сможет в два-три раза увеличить ресурс деталей горячего тракта двигателей, что соответственно увеличит срок службы двигателей», — рассказал автор проекта Михаил Гиорбелидзе, научный руководитель направления по нанесению специальных покрытий научно-исследовательской части Самарского университета им. Королёва.
Экспериментальный образец уже проверили на прочность сцепления покрытия с материалом пластины. Эти испытания показали, что значения прочности полностью соответствуют предъявляемым требованиям. Покрытие сможет защитить от разрушения внутренние поверхности сопел и камер сгорания, лопатки турбин и другие элементы ракетных и авиационных двигателей, газоперекачивающих и энергогенерирующих установок, а также малоразмерных газотурбинных двигателей, применяемых, в том числе, на беспилотных летательных аппаратах, подчеркнул автор проекта.
Покрытие наносится плазменным напылением: в струю из плазмы, направленную на обрабатываемую поверхность, подают частицы тугоплавкого вещества, например, диоксида циркония с различными добавками, в виде порошка. Ускоряясь и нагреваясь в плазме, такие частицы попадают на обрабатываемый объект и образуют покрытие.
Его уникальность заключается в структуре: ученые сравнили ее со средневековым доспехом — кольчугой, состоящей из слоев плоских дискообразных частиц-чешуек, которые располагаются и скрепляются друг с другом в особом упорядоченном порядке. Толщина одной такой «чешуйки» — 10-20 мкм, а толщина всей «кольчуги» в целом — всего менее полумиллиметра. За счет разработанной технологии исследователям удалось сформировать внутри отдельных «чешуек» два типа структуры: внешний особый наноструктурный слой, повышающий прочность сцепления отдельных чешуек между собой и жаростойкость «доспеха»: этот слой в случае возникновения усталостной трещины локализует ее в пределах одного кристаллита и не дает ей прорасти до материала детали двигателя. Внутренний субмикронный слой внутри отдельных «чешуек» способствует снижению теплопроводности материала и компенсирует температурные и механические напряжения в процессе эксплуатации изделия при высоких температурах.
«В настоящее время идут основные испытания, которые должны определить термоусталостную долговечность покрытия — экспериментальный образец периодически нагревается до рабочих температур горячего тракта современных газотурбинных двигателей с последующим охлаждением до комнатной температуры. Специально для проведения этих испытаний в университете было создано новое оборудование, позволяющее определять не только термоусталостную долговечность, но и теплопроводность покрытия. Испытания завершатся примерно через полгода», — резюмировал Михаил Гиорбелидзе.
