Ученые Самарского университета имени Королева (вуза-участника национального проекта "Наука и университеты") разработали и изготовили экспериментальный образец инновационного плазменного покрытия, предназначенного для защиты внутренних элементов конструкции ракетных и авиационных двигателей от экстремально высоких рабочих температур. Благодаря этому жаропрочному покрытию срок службы важнейших деталей горячего тракта двигателей может увеличиться в два-три раза.
Использование инновационной технологии получения такого покрытия также позволит конструкторам создавать в перспективе более мощные двигатели, рассчитанные на более высокие рабочие температуры. Разработка велась в течение двух лет в рамках проекта, который в 2021 году победил в конкурсе программы "УМНИК" и получил финансирование Фонда содействия инновациям.
Как рассказал автор проекта Михаил Гиорбелидзе - научный сотрудник, научный руководитель направления по нанесению специальных покрытий научно-исследовательской части Самарского университета имени Королева, 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, - сказал он.
Полученный экспериментальный образец сейчас проходит цикл различных испытаний. Так, уже завершены испытания на прочность сцепления покрытия с материалом пластины, они показали, что значения прочности полностью соответствуют предъявляемым требованиям. По словам ученого, данное 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.
Покрытие наносится путем плазменного напыления: 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. Ученые разработали цифровые модели процесса высокоскоростного удара частицы порошкового материала и ее превращения в кристаллит покрытия, на основе цифровых моделей были разработаны технологические рекомендации по режимам нанесения покрытия и подготовке материала.
Уникальность созданного покрытия заключается в его структуре: его можно сравнить со средневековым доспехом - кольчугой, состоящей из слоев плоских дискообразных частиц-чешуек, которые располагаются и скрепляются друг с другом в особом порядке. Толщина одной такой "чешуйки" - 10-20 мкм, а толщина всей "кольчуги" в целом - всего менее полумиллиметра. За счет разработанной технологии ученым 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, - отметил Михаил Гиорбелидзе.
