Для сохранения металла лопаток газотурбинных двигателей от высоких температур применяют теплозащитные покрытия, которые состоят из нескольких слоев. Эффективным способом получения слоистого материала является искровое плазменное спекание, когда слои из порошка уплотняются благодаря импульсному току и нагрузке. Формирование теплозащитных покрытий таким методом в России практически не изучено.

В настоящее время в качестве верхнего керамического слоя покрытия широко применяют диоксид циркония, который используется также в ядерной энергетике, пиротехнике и медицине. Однако рабочая температура его применения ограничена (не выше 1200 градусов). Ученые Пермского Политеха предлагают перспективный теплозащитный керамический материал на основе соединения циркония и редкоземельных элементов. Исследование позволит перейти на отечественное производство теплозащитных покрытий для деталей газотурбинных двигателей.

Статья с результатами опубликована в журнале «Новые огнеупоры». Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России и при финансовой поддержке РФФИ.

Редкоземельные элементы (РЗЭ) достаточно распространены в мире, однако крайне редко находятся в концентрированном виде. Чаще всего их обнаруживают в составе минералов вперемешку с другими элементами, откуда их очень сложно отделить. Редкоземы – важные компоненты многих современных электронных устройств, даже их небольшое количество в сплавах и других соединениях улучшает их свойства. В металлургии добавки редкоземельных элементов продлевают жизнь металлическим конструкциям, их применяют в автомобильной, военной и ракетно-космической промышленности.

Применение соединения РЗЭ с диоксидом циркония перспективно в качестве теплозащитного покрытия для лопаток газотурбинного двигателя. Такое соединение отличается высокой температурой плавления, низкой теплопроводностью, высокой стабильностью и хорошим сопротивлением к спеканию при рабочих температурах до 1400 градусов.

Микроструктура границы раздела между слоями керамических пар, полученных методом искрового плазменного спекания при 1220 градусах / © Пресс-служба ПНИПУ

Для исследования ученые синтезировали порошок цирконатов редкоземельных элементов из концентрата разных оксидов (Zr-РЗЭ). Для сравнения также синтезировали порошок LaZr₂O₇, содержащий один элемент-стабилизатор, и порошок ZrO₂-8Y₂O₃, который используется в настоящее время для изготовления теплозащитных конструкций.

Методом искрового плазменного спекания политехники уплотнили порошковые соединения для получения слоистого материала. Для этого нагрели импульсным постоянным током при скорости 80 градусов в минуту и поставили нагрузку сверху в два этапа – 15 МПа и 30 МПа. У полученных образцов керамики определили удельную поверхность, плотность, пористость и фазовый состав. От данных физических свойств зависит качество полученного материала, его долговечность и сопротивляемость высоким температурам.

«После искрового плазменного спекания при температуре 1050 градусов пористость керамики составила 50 процентов, то есть уплотнения почти не произошло. После повышения температуры до 1400 градусов была получена плотная керамика, пористость которой составила около одного процента. Однако теплозащитное покрытие должно иметь пористость 15–20 процентов для снижении теплопроводности. Поэтому была выбрана температура 1220 градусов, которая оказалась оптимальной для получения керамики с требуемой пористостью 14 процентов, – объясняет доцент кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» Пермского Политеха, доктор технических наук Максим Каченюк.

Ученые выяснили, что образец на основе цирконатов РЗЭ имеет относительно низкий коэффициент теплового расширения по сравнению с металлической основой, это приводит к высоким тепловым напряжениям. Решить такую проблему можно, изготовив покрытие из нескольких слоев. Для этого политехники получили керамическое покрытие из двух слоев (ZrO₂-8Y₂O₃ и цирконат).

Определение теплопроводности образцов, состоящих как из одного слоя, так и из двух, показало, что самое низкое значение теплопроводности при 400 градусов имеет керамика на основе цирконатов РЗЭ (1,79 Вт/(м·К)). Теплопроводность образцов La₂Zr₂O₇ и ZrO₂-8Y₂O₃ несколько выше и составляет 2,06 и 2,4 Вт/(м·К) соответственно. Двухслойная керамика также показала низкую теплопроводность.

Таким образом, ученые ПНИПУ доказали, что применение редкоземельных элементов является перспективным способом получения керамического слоя теплозащитного покрытия, способного выдерживать до 1400 градусов. Исследование будет полезно для защиты деталей горячего тракта газотурбинной установки от воздействия высоких температур.