Термобарьерное покрытие из церата стронция (SrCeO3) для газотурбинных двигателей (ГТД) разработал научный коллектив специалистов из Уральского федерального университета (УрФУ), Института химии твердого тела (ИХТТ) УрО РАН и Технического университета Малека Аштера (Иран), 2 ноября сообщает пресс-служба УрФУ.

Покрытие уральских ученых, выдерживая до 1200 ℃, не уступает аналогам по тепловым нагрузкам, устойчиво к длительному высокотемпературному воздействию, не разрушаясь от него и не меняя форму. Это предотвратит коррозию и быстрый износ деталей двигателя, на которые нанесут такое покрытие.

Кроме того, покрытия из SrCeO3 гораздо дешевле применяемых в настоящее время покрытий. Они могут применяться в тех областях промышленности, где востребованы высокопроизводительные и надежные газотурбинные двигатели: в авиации, энергетике, кораблестроении и др.

Результаты исследования разработанного покрытия ученые представили в статье «Микроструктура и свойства термобарьерного покрытия из напыленного плазмой SrCeO3», опубликованной в журнале Surface and Coatings Technology.

Руководитель проекта, старший научный сотрудник лаборатории ионики твердого тела ИХТТ УрО РАН Роман Шишкин пояснил задачу, поставленную перед исследователями:

«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».

В газотурбинном двигателе сжатый компрессором атмосферный воздух попадает в камеру сгорания, где, смешивается с топливом, которое воспламеняется с высвобождением большого количества энергии в виде горячих газов, направляемых на вращение турбины.

К.п.д. такого двигателя тем больше, чем выше температура сгорания топлива, что ставит перед конструкторами камер сгорания необходимость использовать термобарьерные материалы, выдерживающие экстремальные температурные нагрузки. Такие материалы наносятся на ее детали в виде термобарьерного покрытия.

«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», — рассказал младший научный сотрудник лаборатории композитных материалов, пленок и покрытий УрФУ Николай Барашев.

В поисках новых материалов для термобарьерных покрытий ученые остановились на церате стронция, который даже может преодолеть планку в 1200 °С и стабильно работать при температурах 1300 °С и выше. Однако это потребует дальнейших исследований по определению оптимальных условий формирования покрытия.

Нанесение термобарьерного покрытия из церата стронция производится методом атмосферного плазменного напыления: порошок церата стронция вводится в высокотемпературную плазменную струю, где моментально плавится и распыляется на поверхность детали (подложки).

Проверяя жаропрочность нового покрытия, ученые в качестве подложки выбрали никелевый суперсплав и после напыления на нее церата стронция поместили в трубчатую печь. Там ее выдерживали при 1200 °С в течение пяти минут, вынимали, охлаждали в течение тех же 5 минут и продолжали цикл с нагрева. Эксперимент показал, что покрытие сохранило свою прочность и целостность после 44 таких циклов.

Исследование, таким образом, показало, что продемонстрированная термобарьерными покрытиями на основе церата стронция устойчивость к высоким температурным нагрузкам и низкая теплопроводность делают их перспективными для дальнейших исследований.

По данным Fortune business insights, размер мирового рынка газовых турбин в 2022 году оценивался в 19,7 млрд долларов (1,85 трлн руб.). Прогноз на 2030 год предполагает рост рынка до 27,6 млрд долларов (2,55 трлн руб.).