Новые материалы для термобарьерных покрытий

Исследователи из Сколтеха определили керамические материалы, покрывая которыми металлические детали, можно повысить эффективность работы турбин. Если экспериментальная проверка пройдет успешно, газовые турбины на электростанциях смогут вырабатывать больше электроэнергии, а реактивные самолеты — расходовать меньше топлива. Авторы описали свою методику поиска материалов термобарьерных покрытий в статье в журнале Physical Review Materials и планируют найти с ее помощью другие перспективные варианты.

Термобарьерные покрытия защищают лопатки газовых турбин электростанций и реактивных двигателей самолетов. Сами лопатки изготавливают из прочных и устойчивых к коррозии и высоким температурам суперсплавов на основе никеля, но даже они могут размягчаться и плавиться в суровых условиях эксплуатации турбины. Защитное покрытие позволяет существенно повысить рабочую температуру турбины без ущерба для лопаток. А коэффициент полезного действия в данном случае растет вместе с температурой.

«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, — объясняет один из авторов исследования, профессор Сколтеха Артём Оганов, заведующий Лабораторией дизайна материалов. — Поиск таких материалов начинается с выявления перспективных кандидатов. Их свойства, в первую очередь теплопроводность, определяют вычислительными методами. В своей статье мы приводим ряд таких кандидатов и будем искать новые».

К материалу термобарьерного покрытия предъявляется ряд требований. Он должен иметь высокую температуру плавления и низкую теплопроводность — с расчетом последней связаны наибольшие трудности из-за зависимости этого свойства от тонких «ангармонических эффектов» в кристалле. Кроме того, при нагреве материал должен расширяться соразмерно суперсплаву, иначе покрытие будет отслаиваться. Также при нагреве от комнатной до рабочей температуры турбины материал не должен претерпевать фазовых переходов, которые сопровождались бы образованием трещин. Наконец, он должен быть устойчив к воздействию пыли и кислорода при высокой температуре и препятствовать диффузии ионов кислорода в суперсплав, чтобы под покрытием не происходило окисления.

«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», — прокомментировал исследование его первый автор, аспирант Сколтеха Маджид Зераати.

В статье ученых из Сколтеха уже приведен ряд материалов, которые обещают превзойти допированный иттрием диоксид циркония — он используется в термостойких покрытиях сейчас. Среди перспективных кандидатов — ниобат иттрия Y3NbO₇, перовскитные структуры с формулами BaLaMgTaO₆ и BaLaMgNbO₆ и еще семь материалов. Коллектив планирует продолжить поиск и найти запасные варианты или даже новых фаворитов с еще более впечатляющими свойствами.