Керамические материалы для покрытия лопастей газовых турбин, нанесение которого позволит повысить эффективность их работы, определили исследователи из Сколковского института науки и технологий (Сколтеха), 14 марта сообщает пресс-служба вуза.

Лопатки газовых турбин электростанций и реактивных двигателей самолетов защищают от воздействия высоких температур с помощью термобарьерных покрытий.

Хотя сами лопатки изготавливаются из прочных, коррозийно- и термоустойчивых суперсплавов на основе никеля, но и они не застрахованы от размягчения из-за высоких температур в процессе эксплуатации турбины.

Чтобы этого не случилось, лопатки турбин защищают высоко термоустойчивыми керамическими покрытиями, которые позволяют значительно поднять рабочую температуру турбины и, соответственно, увеличить ее КПД, зависящий от рабочей температуры.

Заведующий Лабораторией дизайна материалов, профессор Сколтеха Артём Оганов пояснил:

«Сейчас термобарьерные покрытия делают из диоксида циркония с добавлением иттрия. Но если подобрать материал с еще более низкой теплопроводностью, вы сможете получить от турбины больше полезной энергии. Поиск таких материалов начинается с выявления перспективных кандидатов. Их свойства, в первую очередь теплопроводность, определяют вычислительными методами».

В своей статье «Поиск материалов с низкой теплопроводностью для термобарьерных покрытий: теоретический подход», опубликованной в Physical Review Material, исследователи привели ряд кандидатов на такое покрытие: ниобат иттрия Y₃NbO₇, перовскитные структуры с формулами BaLaMgTaO₆ и BaLaMgNbO₆ и еще семь материалов, и намерены продолжать поиски новых.

В своих поисках исследователи исходили из требований, которым должны соответствовать перспективные материалы. Это высокая температура плавления и низкая теплопроводность, а также коэффициент температурного расширения, близкий к таковому у материала лопаток (в противном случае покрытие будет отслаиваться).

Еще одним требованием является отсутствие у материалов в процессе нагрева от комнатной до рабочей температуры турбины фазовых переходов, вызывающих образование трещин. Кроме того, материал для покрытия не должен реагировать при высоких температурах на пыль и кислород воздуха и препятствовать проникновению ионов кислорода в сплав лопатки.

Хотя вычислительными методами было достаточно трудно рассчитать теплопроводность композита из-за влияния на нее тонких «ангармонических эффектов» в кристалле, ученые Сколтеха с этим справились:

«Мы вычислили все необходимые свойства, но особенно важно рассчитать теплопроводность, и мы нашли, как это сделать: наиболее точным и притом вычислительно подъемным оказался метод однородной неравновесной молекулярной динамики. Это достаточно неожиданно, потому что он требует расчетов на очень больших системах в течение долгого вычислительного времени и сбора большой статистики. То есть вычисления очень сложные. Но нам удалось их упростить, дополнив метод машинно-обученными потенциалами: взаимодействия между атомами не рассчитывались напрямую, а предсказывались искусственным интеллектом», — поделился успехами первый автор исследования, аспирант Сколтеха Маджид Зераати.

Научный коллектив намерен продолжать поиски перспективных материалов покрытий для газовых турбин, надеясь найти как запасные варианты на случай дефицита того или иного компонента, так и материалы с еще более высокими рабочими характеристиками.

Ученые отметили, что в случае успешной экспериментальной проверки нанесенных покрытий, результаты их исследования позволят сделать газовые турбины более эффективными. То есть электростанции будут вырабатывать больше электроэнергии, а реактивные самолеты — расходовать меньше топлива.