В современных самолетах используют газотурбинные двигатели нового поколения, которые способны выдерживать влияние высоких температур. В частности, этого эффекта можно достичь с помощью многослойных керамических теплозащитных покрытий. Ученые Пермского Политеха предложили технологию, которая позволит получать жаропрочные композиты в одну стадию.

Результаты работы материаловеды опубликовали в журнале Russian Engineering Research. Исследование выполнено в рамках государственного задания Минобрнауки России, а также при финансовой поддержке РФФИ и Пермского края.

«Изделия с теплозащитными покрытиями включают четыре слоя: подложку из жаропрочного суперсплава, связующий слой между сплавом и теплозащитным покрытием, термически выращенный оксид и керамическое верхнее покрытие. Все слои различаются по своей природе и физико-механическим свойствам, поэтому важно не только сформировать их, но и создать между ними плавные «переходы» – прочные структуры на границах разделов. Это позволит обеспечить однородность свойств композита», – рассказывает один из разработчиков, доцент кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» Пермского Политеха, кандидат технических наук Максим Каченюк.

Графитовая пресс-форма со спекаемым материалом нагревается до высоких температур импульсным током постоянного напряжения / ©Пресс-служба Пермского Политеха

Способы, которые применяют для нанесения покрытий сейчас, могут привести к потере компонентов в керамическом слое и неоднородности структуры. Это может снизить эффективность изделий с теплозащитными покрытиями при дальнейшем использовании.

«Мы предложили создавать градиентные теплозащитные покрытия с помощью искрового плазменного спекания. Эта технология обеспечивает высокую скорость нагрева за короткое время и сохраняет исходные химические свойства и микроструктуры материалов. Способ позволяет получать слоистые материалы очень сложного состава в одну стадию», – поясняет научный руководитель разработчика, профессор кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» Пермского Политеха, доктор технических наук, доцент Светлана Оглезнева.

Установка искрового плазменного спекания SPS-1050b / ©Пресс-служба Пермского Политеха

По словам ученых, метод имеет ограничения при создании деталей сложных форм, но эту проблему можно решить за счет применения современных принципов бионического дизайна. С их помощью защищают только наиболее «слабые» участки и интегрируют их в узел, используя аддитивные технологии, лазерную или электронно-лучевую сварку.

Исследователи выявили оптимальные параметры для создания многослойных теплозащитных покрытий. С помощью искрового плазменного спекания можно производить их в одну стадию. Наибольшей эффективности удалось добиться при диапазоне температур 1000–1050 °C и времени изотермической выдержки от пяти до 25 минут.

Термическое выращивание подслоя позволило сделать свойства материалов более однородными. Полученные в ходе экспериментов слои отличались достаточным «сцеплением». Разработка обеспечит качественную защиту деталей газотурбинных двигателей от высоких температур и увеличит их эффективность, считают ученые.