Исследование, доказавшее улучшение свойств керамического слоя теплозащитного покрытия лопаток газотурбинных двигателей при использовании добавок редкоземельных элементов (РЗЭ), провели материаловеды Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 26 октября сообщает портал «Научная Россия» со ссылкой на пресс-службу ПНИПУ.

Ученые ПНИПУ показали, что применение РЗЭ является перспективным способом получения керамического слоя теплозащитного покрытия на основе диоксида циркония (ZrO₂), способного выдерживать до 1400 ℃

Для защиты металла лопаток газотурбинных двигателей от высоких температур их покрывают специальным покрытием, состоящим из нескольких слоев композита. Один из эффективных способов получения такого слоистого покрытия — искровое плазменное спекание, при котором слои из порошка уплотняются импульсным током и нагрузкой.

Такая технология формирования теплозащитных покрытий в России практически не изучена.

В настоящее время в качестве верхнего керамического слоя покрытия часто применяют диоксид циркония. Его также используют в ядерной энергетике, пиротехнике и медицине.

При этом его рабочая температура не превышает 1200 ℃. Ученые ПНИПУ предложили в качестве более теплостойкого покрытия керамический материал на основе соединения циркония и редкоземельных элементов. Исследование нового материала для теплозащитных покрытий, выполненное Пермским Политехом, позволит перейти на их производство в России.

Статья «Искровое плазменное спекание керамических материалов на основе цирконатов редкоземельных элементов» с результатами исследования была опубликована в журнале «Новые огнеупоры».

Редкоземельные элементы (РЗЭ), будучи достаточно распространенными в природе, в большинстве случаев встречаются лишь как низкоконцентрированные примеси в различных минералах, откуда их достаточно сложно выделить.

При этом РЗЭ в настоящее время широко востребованы для изготовления многих электронных устройств, кроме того, даже их небольшие добавки в сплавы или композиты улучшают свойства последних, придавая им устойчивость к внешним воздействиям. РЗЭ применяют с этими целями в материалах для автомобильной, военной и ракетно-космической промышленности.

Добавки РЗЭ к керамике на основе диоксида циркония перспективны для улучшения свойств теплозащитного покрытия лопаток газотурбинного двигателя. Они снижают теплопроводность, увеличивают температуру плавления, значительно повышают стабильность и обеспечивают хорошее сопротивление к спеканию при рабочих температурах до 1400 ℃.

Для исследования влияния добавок РЗЭ ученые синтезировали порошок цирконатов редкоземельных элементов из концентрата разных оксидов (Zr-РЗЭ). В качестве контрольного также был синтезирован порошок LaZr₂O₇, содержащий один элемент-стабилизатор — лантан, а также порошок с изотопом иттрия ZrO₂-8Y₂O₃, используемый для изготовления теплозащитных конструкций.

Для получения слоистого материала исследователи применили искровое плазменное спекание. Они нагревали порошок импульсным постоянным током при скорости 80 °С/ мин. Нагрузка устанавливалась сверху в два этапа — сначала 15 МПа, а затем 30 МПа.

Ученые исследовали качество полученного материала, которое определяется такими параметрами, как удельная поверхность (усредненная характеристика размеров внутренних полостей — каналов, пор — пористого тела), а также плотность, пористость и фазовый состав.

Доцент кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ, доктор технических наук Максим Каченюк рассказал о проведенных экспериментах:

«После искрового плазменного спекания при температуре 1050 ℃ пористость керамики составила 50%, то есть уплотнения почти не произошло. После повышения температуры до 1400 °С была получена плотная керамика, пористость которой составила около 1%. Однако теплозащитное покрытие должно иметь пористость 15–20% для снижения теплопроводности. Поэтому была выбрана температура 1220 °С, которая оказалась оптимальной для получения керамики с требуемой пористостью 14%».

Исследователи определили, что полученный образец на основе цирконатов РЗЭ имеет более низкий коэффициент теплового расширения, чем металлическая основа. Такое покрытие будет вызывать высокие тепловые напряжения при большом нагреве.

Чтобы этого не происходило, покрытие изготавливают из нескольких слоев. Политехники исследовали керамическое покрытие из двух слоев, взяв ZrO₂-8Y₂O₃ и цирконат РЗЭ, которое обеспечило требуемые параметры теплового расширения.

В результате ученые ПНИПУ доказали, что циркониевая керамика с добавкой редкоземельных элементов перспективна для применения в качестве теплозащитного покрытия, выдерживающего до 1400 ℃ и может быть использована для защиты от воздействия высоких температур деталей горячего тракта газотурбинных установок.