Защита турбин от экстремального перегрева: как суперкомпьютеры помогли создать керамику, выдерживающую 2000 градусов

Графический абстракт статьи

© Ceramics International

Учёные из Сколтеха, Института неорганической химии имени А.В. Николаева СО РАН, а также других научных организаций России создали новую керамику на основе двойного перовскита Ba₂YNbO₆, способную выдерживать температуры свыше 2000 градусов Цельсия. 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. Результаты исследования опубликованы в журнале Ceramics International.

Современная авиация и энергетика остро нуждаются в материалах, которые могут работать при экстремальных температурах, превышающих 1200 градусов, поскольку используемые сегодня покрытия из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, начинают терять свои свойства при перегреве, что ограничивает ресурс двигателей. Учёные 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 на суперкомпьютерах в Сколтехе исследователи 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 твёрдофазных реакций при температурах до 1500 градусов и с помощью искрового плазменного спекания получили высокоплотные керамические образцы.

В ходе экспериментов новая керамика не расплавилась даже при нагреве почти до 2000 градусов, что подтверждает её высокую термическую стабильность. При рабочей температуре 1000 градусов 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 — жёсткость и нанотвёрдость — сопоставимы с существующими материалами. Учёные также подтвердили, что при температуре около минус 10 градусов в структуре происходит незначительное изменение, однако оно никак не влияет на объём 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 расчёты 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 ещё до лабораторного синтеза», — рассказал Маджид Зераати, постдок Лаборатории дизайна материалов Сколтеха и один из ведущих авторов исследования.

«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 расчёты 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 заслуженный профессор Артём Оганов, руководитель Лаборатории дизайна материалов в Сколтехе и научный руководитель исследования. Новая разработка открывает перспективы для создания двигателей следующего поколения с более высоким коэффициентом полезного действия, сниженным расходом топлива и увеличенным сроком службы.

Все новости в научно-технологических координатах России — в телеграм-канале.

Источник: indicator.ru