Исследователи из «Сколтеха» предложили ряд керамических материалов, чтобы покрывать металлические детали турбин для повышения эффективности работы. По словам учёных, если экспериментальная проверка материалов пройдёт успешно, газовые турбины на электростанциях смогут вырабатывать больше электроэнергии, а реактивные самолёты будут расходовать меньше топлива. Авторы описали методику поиска материалов термобарьерных покрытий в статье в Physical Review Materials, рассказали информационной службе Хабра в пресс‑службе «Сколтеха».
Новые термобарьерные покрытия защищают лопатки газовых турбин электростанций и реактивных двигателей самолётов. Сами лопатки изготавливают из прочных и устойчивых к коррозии и высоким температурам суперсплавов на основе никеля. Однако эти детали могут размягчаться и плавиться в суровых условиях эксплуатации турбины. Разработанное защитное покрытие позволяет повысить рабочую температуру турбины без ущерба для лопаток. По словам исследователей, коэффициент полезного действия в этом случае растёт вместе с температурой.Артём Оганов
один из авторов исследования, заведующий Лабораторией дизайна материалов, профессор «Сколтеха»
«Сейчас термобарьерные покрытия делают из диоксида циркония с добавлением иттрия. Но если подобрать материал с ещё более низкой теплопроводностью, вы сможете получить от турбины больше полезной энергии, — объясняет. — 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 новых».
К материалу термобарьерного покрытия предъявляется ряд требований. Он должен иметь высокую температуру плавления и низкую теплопроводность. С расчётом теплопроводность связаны 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. При нагреве от комнатной до рабочей температуры турбины материал не должен претерпевать фазовых переходов, которые сопровождались бы образованием трещин. Наконец, материал должен быть устойчив к воздействию пыли и кислорода при высокой температуре и препятствовать диффузии ионов кислорода в суперсплав, чтобы под покрытием не происходило окисления.Маджид Зераати
первый автор, аспирант Сколтеха
«Мы вычислили все необходимые свойства, но особенно важно рассчитать теплопроводность, и мы нашли, как это сделать: наиболее точным и притом вычислительно подъёмным оказался метод однородной неравновесной молекулярной динамики. Это достаточно неожиданно, потому что он требует расчётов 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».
Учёные из Сколтеха привели ряд материалов, которые в теории должны превзойти допированный иттрием диоксид циркония, используемый в термостойких покрытиях сейчас. Среди перспективных кандидатов названы ниобат иттрия Y3NbO7, перовскитные структуры с формулами BaLaMgTaO6 и BaLaMgNbO6 и ещё семь материалов. Коллектив планирует продолжить поиск и найти запасные варианты или даже новых фаворитов с ещё более впечатляющими свойствами.
Источник новости: habr.com
