Высокоэффективный и при этом недорогой и экологически чистый способ защиты двигателя внутреннего сгорания (ДВС) от перегрева за счет повышения термостойкости поршней предложили специалисты Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ), 9 октября сообщает пресс-служба вуза.

Старший научный сотрудник кафедры материаловедения и физикохимии материалов ЮУрГУ, доктор химических наук Дмитрий Жеребцов рассказал о методе, который в настоящее время разрабатывает их научный коллектив:

«Мы предлагаем наносить на поверхность поршней двигателя внутреннего сгорания термобарьерное покрытие, отличающееся от зарубежных и отечественных аналогов тем, что оно будет наноситься методом детонационного напыления и состоять из двух компонентов. Это микропорошок кварцевого стекла, а связка между его частицами — пластичный алюминиевый сплав».

Он пояснил, что создаваемое покрытие при совместном напылении смеси двух этих порошков данным методом приобретает достаточную прочность, а также устойчивость к растрескиванию и отслаиванию. Одновременно оно обладает низкой теплопроводностью.

В основном в аналогичных работах исследуются покрытия на основе оксида алюминия и оксида циркония. Однако челябинские ученые считают, что плохо проводящий тепло кварц окажет более высокую защиту алюминиевому сплаву поршней ДВС от воздействия раскаленных газов в камере сгорания.

Инженер кафедры информационно-измерительной техники ЮУрГУ Кирилл Пашкеев пояснил, в чем преимущество предложенного челябинцами способа нанесения покрытия:

«Суть метода детонационного напыления в том, что за счет энергии взрыва газовой смеси частицы наносимого материала ускоряются и разогреваются до температур, близких к температурам плавления. Когда смесь ацетилена и кислорода взрывается, частицы вылетают со сверхзвуковой скоростью, в момент удара эти разогретые частицы деформируются и слипаются друг с другом, образуя таким образом композитное покрытие».

Ученым пришлось решать сложную задачу уравнивания коэффициентов теплового расширения всех составляющих материалов смеси, которые имеют разную температуру плавления. Так, у оксида кремния она составляет 1720 °C, у оксида алюминия — 2050 °C, а у оксида циркония — 2420 °C. Такое уравнивание необходимо, так как в противном случае покрытие будет растрескиваться при работе поршня.

«Это возможно сделать несколькими способами, — продолжил свои пояснения Кирилл Пашкеев. — Самый простой — напылить на алюминиевый поршень дополнительный слой материала, коэффициент теплового расширения которого находится между алюминием и оксидом. Например, это может быть никелевое покрытие или нержавейка, что-то вязкое, что распределит нагрузку и уравняет деформации. Получится слоеная структура покрытия».

Ученые ЮУрГУ выбрали другой способ, они в разных соотношениях смешивают оксид кремния с металлическими частицами. Далее они изучают термобарьерные свойства полученного слоя и его коэффициент теплового расширения, чтобы достичь такого соотношения, при котором этот слой смог выровнять коэффициенты теплового расширения в покрытии и поршне.

Выбранный челябинскими исследователями метод детонационного напыления ранее использовался при производстве летательных аппаратов и космической техники, в том числе для обработки сопел реактивных двигателей. Машиностроители также решили использовать эту технологию.

Ученые ЮУрГУ полагают, что в случае положительного результата исследований, ресурс работы двигателя может возрасти на 10–20%. Сама технология детонационного напыления экологически безопасный, довольно дешевый и быстрый процесс, который без особого труда может быть встроен в технологические цепочки соответствующих российских предприятий.

Поскольку основным материалом композитного покрытия является недорогой и достаточно распространенный кварц, всё это делает предложенный метод очень экономичным и «чистым», не требующим существенных капитальных вложений.

При этом такой композитный термобарьерный материал может быть использован в качестве покрытия в любых поршневых двигателях, будь то легковой автомобиль или трактор.

Исследователи надеются за год получить покрытие, обладающее необходимыми характеристиками, и приступить к промышленным испытаниям на машиностроительном предприятии в России.