Самарские ученые создадут плазменную "кольчугу" для повышения надежности ракетных и авиационных двигателей

Ученые Самарского национального исследовательского университета имени С.П. Королёва в течение двух лет разработают и испытают на практике технологию производства инновационного теплозащитного плазменного покрытия для защиты конструктивных элементов ракетных и авиационных двигателей от экстремально высоких рабочих температур - порядка 1500 градусов по Цельсию и выше.

Проект по созданию технологии производства такого покрытия стал победителем конкурса программы "УМНИК" и получил финансовую поддержку Фонда содействия инновациям*. Автор проекта - молодой ученый Самарского университета, старший преподаватель кафедры производства летательных аппаратов и управления качеством в машиностроении, научный сотрудник НИИ технологий и проблем качества Михаил Гиорбелидзе.

"Применение подобного термобарьерного покрытия позволит значительно увеличить ресурс и надежность работы ракетных и авиационных двигателей, газоперекачивающих и энергогенерирующих установок, а также микрогазотурбинных двигателей, применяемых на беспилотных летательных аппаратов, - рассказал Михаил Гиорбелидзе. - Согласно расчетам, внедрение разрабатываемой технологии должно, как минимум, в два-три раза продлить ресурс важнейших конструктивных элементов горячего тракта двигателей, снизив тем самым необходимость в ремонте и замене дорогостоящих деталей".

Жаропрочное покрытие, способное долгое время выдерживать температуры порядка 1500 градусов по Цельсию, защитит от разрушения внутренние поверхности сопел и камер сгорания, лопатки турбин и другие элементы двигателей и энергоустановок. Покрытие наносится путем плазменного напыления: в струю из плазмы, направленную на обрабатываемую поверхность, подают частицы тугоплавкого вещества, например, оксида циркония, в виде порошка. Ускоряясь и нагреваясь в плазме, такие частицы попадают на обрабатываемый объект и образуют покрытие.

Уникальность предлагаемого самарскими учеными термобарьерного 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 упорядоченном порядке. Толщина одной такой "чешуйки" - 10-20 мкм, а толщина всей "кольчуги" в целом - всего менее полумиллиметра. За счет разрабатываемой технологии внутри отдельных "чешуек" удается сформировать наноструктурный слой материала, что позволяет повысить эксплуатационные свойства "доспеха".

"Такие особенности строения покрытия обеспечивают сочетание высоких значений адгезионной прочности и термостойкости, позволяя уменьшать тепловые нагрузки и локализовывать возникающую в ходе эксплуатации усталостную трещину в пределах одного кристаллита** покрытия, не давая ей прорасти до материала детали двигателя", - отметил Михаил Гиорбелидзе.

Еще одно перспективное преимущество: использование более эффективных термобарьерных покрытий дает возможность конструкторам при разработке двигателей повышать рабочую температуру газа перед турбиной и тем самым увеличивать возможную мощность силовой установки.

В рамках рассчитанного на два года проекта ученым предстоит первоначально разработать математическую модель высокоскоростного превращения расплавленных частиц материала в "чешуйки" покрытия с учетом разделения напыляемых частиц по размерам, скоростям и температурам для получения более однородной упорядоченной структуры. По итогам разработки технологии будут изготовлены опытные образцы покрытия для проведения испытаний.

Справочно

* "УМНИК" (Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса) — программа выявления и поддержки молодых ученых, стремящихся к самореализации через инновационную деятельность. "УМНИК" существует с 2007 года. За это время в ней приняли участие более 70 тысяч человек, свыше 12 тысяч стали победителями. Программа проводится по пяти направлениям. Победители программы получают финансирование в размере 500 тысяч рублей сроком на два года на развитие научно-инновационного проекта.

** Кристаллит - часть структуры покрытия (та самая отдельная чешуйка), возникающая в результате кристаллизации и деформации порошковых частиц на поверхности изделия.

Фото: Анар Мовсумов, Анастасия Короткова.