Суперкерамика для турбинных лопаток

Материал может использоваться в качестве верхнего слоя теплозащитных покрытий для деталей, работающих в условиях экстремально высоких температур, — прежде всего в авиационных двигателях и газовых турбинах энергетических установок.

Современная авиация и энергетика остро нуждаются в материалах, которые могут работать при экстремальных температурах, превышающих 1200 °C, поскольку используемые сегодня покрытия из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, начинают терять свои свойства при перегреве, что ограничивает ресурс двигателей. Ученые поставили перед собой задачу найти более совершенную замену и впервые применили для анализа свойств этого материала комплексный подход, сочетающий суперкомпьютерное моделирование и реальные эксперименты.

С помощью машинного обучения и молекулярной динамики исследователи на суперкомпьютерах в Сколтехе рассчитали, как атомы ведут себя внутри кристаллической структуры при нагреве. Это позволило предсказать теплопроводность и коэффициент теплового расширения материала, которые оказались подходящими для термобарьерных покрытий. Затем специалисты Института неорганической химии синтезировали порошок методом твердофазных реакций при температурах до 1500 °C и с помощью искрового плазменного спекания получили высокоплотные керамические образцы.

В ходе экспериментов новая керамика не расплавилась даже при нагреве почти до 2000 °C, что подтверждает ее высокую термическую стабильность. При рабочей температуре 1000 °C теплопроводность материала составила всего около 1,9 Вт/(м·К)— это даже ниже, чем у используемого сейчас стандарта, а значит, покрытие лучше защищает металл от высоких температур.

Коэффициент теплового расширения оказался близок к расширению металла лопаток, что предотвращает появление трещин при циклах нагрева и охлаждения. Механические свойства — жесткость и нанотвердость — сопоставимы с существующими материалами. Ученые также подтвердили, что при температуре около −10 °C в структуре происходит незначительное изменение, однако оно никак не влияет на объем материала и его макроскопические свойства, поэтому не является препятствием для использования в двигателях.

«Благодаря современным вычислительным методам, включающим сверхбыстрые и точные потенциалы межатомного взаимодействия на основе машинного обучения и метод неравновесной молекулярной динамики, мы смогли с высокой точностью предсказать поведение и свойства Ba₂YNbO₆ при различных температурах. Наши теоретические расчеты теплопроводности и теплового расширения практически полностью совпали с экспериментальными данными, полученными затем нашими новосибирскими коллегами. Это подтверждает, что выбранный нами подход позволяет не просто подбирать материалы вслепую, а осуществлять направленный дизайн, начинающийся с компьютерного поиска еще до лабораторного синтеза», — рассказал Маджид Зераати, постдок лаборатории дизайна материалов Сколтеха и один из ведущих авторов исследования.

Заслуженный профессор Артем Оганов, руководитель лаборатории дизайна материалов в Сколтехе и научный руководитель исследования

skoltech.ru

Заслуженный профессор Артем Оганов, руководитель лаборатории дизайна материалов в Сколтехе и научный руководитель исследования, добавляет: «Мы смоделировали поведение системы из 20 тысяч атомов в течение наносекундных интервалов времени — такой уровень детализации стал возможен только благодаря использованию нейросетевых потенциалов и графических ускорителей. Тот факт, что наши расчеты практически идеально совпали с экспериментальными данными, полученными новосибирскими коллегами, демонстрирует зрелость современных теоретических подходов. Теперь мы можем не просто объяснять свойства уже известных материалов, а уверенно предсказывать новые соединения для самых сложных инженерных задач», — добавил он.

Новая разработка открывает перспективы для создания двигателей следующего поколения с более высоким коэффициентом полезного действия, сниженным расходом топлива и увеличенным сроком службы.

Результаты исследования опубликованы в журнале Ceramics International.

По материалам пресс-службы Сколтеха