Фальшивый алмаз в турбине превратит ущерб в пользу
Кто нам мешает, тот нам и окажет помощь! — решили учёные, придумав разработку, при которой песок, попадающий в реактивный двигатель на взлёте, не только не повреждает турбину, но кроме того содействует увеличению её долговечности и прочности. Армейские, часто вынужденные стартовать с неподготовленных и нечистых полос, заинтересовались этим необычным изобретением. Но оно принесёт пользу не только ВВС.
Не секрет, что лопатки турбин реактивных двигателей трудятся в весьма напряжённых условиях. В первую очередь — это высокая температура, и поток и механическое напряжение газов, другой раз несущий с собой абразивные частицы — песок и пыль, попадающие в двигатель самолёта при взлёте с грунтовой полосы (особенно в случае если дело происходит в пустыне).
Чего лишь ни придумывают инженеры и учёные, дабы улучшить параметры турбин. И жаропрочные сплавы, и особенные покрытия для лопаток. Вот и Нитин Падтур (Nitin Padture), доктор наук инжиниринга и материаловедения университета Огайо (Ohio State University — OSU), вместе с сотрудниками собственной группы (Padture?s Research Group) продолжительно ломал голову: какое покрытие надёжно защитит турбину и от перегрева и от высокотемпературной коррозии?
Последняя особенно улучшается, в случае если на лопатки попадает песок. Потому, что рабочая турбина реактивного движка нагрета сильно, летящие с громадной скоростью песчинки сперва вгрызаются в поверхность лезвий, а позже плавятся, создавая кальциево-магниевое алюмосиликатное стекло. Наряду с этим «песок» частично растворяет в себе материал лопаток.
А по окончании выключения двигателя всё остывает, и получаются ненужные покрытия и стеклянные «вкрапления». При следующем запуске они ещё больше разрушают лопатки, потому, что владеют иным коэффициентом теплового расширения.
Армейский транспортник засасывает в двигатели целые потоки песка с пустынной полосы в удалённом «районе военных действий» (фото US Department of Defense).
Словом, тот же пыль и песок смогут скоро «съесть» сердце самолёта.
Падтур и его сотрудники придумали, как перевернуть эту обстановку с ног на голову. Необходимо всего лишь сделать так, дабы попадающий на лопатки песок сам переделывался бы в… материал лопаток, правильнее — в их теплозащитный барьер.
Нитин Падтур занимается теплозащитными покрытиями далеко не один год (фото с сайта osu.edu).
В качестве отправной точки экспериментаторы забрали диоксид циркония. То самое вещество, которое (в одной из собственных форм) образовывает фианит — камень, имитирующий бриллиант.
Про такое «алмазное» покрытие лопаток газовых турбин, конечно же, инженеры и учёные в различных государствах думали и до Падтура. Целый вопрос был в подробностях: как наносить покрытие, каков должен быть слой по толщине, в какой кристаллической форме, какие конкретно должны быть добавки… Многие группы в различных университетах и НИИ занимались данной проблемой (а также — в Российской Федерации).
Вот и учёные из университета Огайо засучили рукава.
Кстати, нужно подчернуть, что команда у Падтура подобралась интернациональная: турчанка Айсегюль Айгюн (Aysegul Aygun), она пишет на базе собственной работы в OSU диссертацию, русский учёный Александр Васильев (в рамках данной конкретной темы он кроме этого трудился вместе с Нитином в OSU), а ещё — китаец Ма Синьцин (Xinqing Ma) из американской корпорации Inframat.
А придумали они вот что: теплозащитное покрытие из диоксида циркония, для стабильности «усиленное» оксидом иттрия (Y2O3), в котором в виде жёсткого раствора имеются две серьёзные добавки. Это оксид алюминия (Al2O3), в новом покрытии он образовывает 20% (по молям), и диоксид титана (TiO2) с молярной долей в 5%.
Неспециализированная схема «циркониевого» защитного барьера. По вертикали на графике отмечена температура, по горизонтали — расстояние.
Голубая стрелка — охлаждающий лопатки воздушное пространство, жёлтая — раскалённые газы (иллюстрация с сайта ohio-state.edu).
Последние два вещества играются необыкновенную роль. В то время, когда песчинки, атакующие лопатки турбины, разогреваются, они преобразовываются в стекло и «впитывают» материал покрытия лезвий, вбирая в себя и алюминий с титаном. По окончании того как стекло накапливает достаточно этих элементов, оно меняет собственное состояние.
Из расплавленного материала получается стабильная кристаллическая структура.
«Стекло практически делается новым керамическим покрытием, укладывающимся поверх ветхого. Позже, в то время, когда добавится новое стекло, то же самое случится опять. Это будет неизменно обновляемое покрытие на поверхности турбины», — говорит Нитин.
Он и соавторы по изучению пишут, что покрытие нового типа возможно изготавливать при помощи плазменного распыления раствора прекурсора (SPPS process). Так получается состав с совершенно верно подобранной «химией».
О том, что удалось сделать экспериментаторам во главе с Падтуром, они говорит в собственной статье в издании Acta Materialia.
Падтур выделил, что разработка эта будет в зачаточном состоянии: до сих пор исследователи ещё не наносили собственное чудо-покрытие на поверхности сложной формы. Да и цена (проистекающая из-за энергоёмкости процесса) покрытия получается до тех пор пока высокой. Развивать данный способ дальше и продвигать его к коммерциализации собирается компания Inframat.
В будущем такое покрытие лопаток, талантливое самостоятельно зарастать под действием агрессивной среды, разрешит поднять рабочую температуру перед турбиной, что повысит КПД двигателя, снизит его вредные выхлопы и расход топлива, а основное — повысит стойкость движка к действию поднятого в атмосферу песка.
Слева: простое керамическое покрытие лопаток, уничтоженное расплавленным стеклом (слой вверху). Справа: новое покрытие, сопротивляющееся такому разрушению путём включения переплавленного и поменянного чужеродного материала в свой состав.
Поперечник каждого снимка — около половины миллиметра (фотографии Aysegul Aygun, Nitin Padture/Ohio State University).
Кстати, в то время, когда Нитин начинал собственное изучение, он думал прежде всего о военных самолётах. И неспроста изучения Падтура по самозаживляющим покрытиям турбин финансируют управление военно-морских изучений США (Office of Naval Research) и воздушное руководство ВМФ Америки (Naval Air Systems Command).
Но в будущем новая разработка имела возможность бы распространиться и на гражданскую авиатехнику, и на стационарные газовые турбины, трудящиеся в качестве электростанций, и на машины. На последних газотурбинные турбовальные движки пробовали ставить ещё в 1950-х, лишь толку от этого было мало — автомобили получались через чур прожорливыми.
Нужно заявить, что изобретатели неоднократно придумывали разные материалы, талантливые заживлять сами себя по окончании малых повреждений. Отыщем в памяти, например, самовосстанавливающиеся бетон для домов и автомобильную краску. Лишь в том месте необыкновенный материал применял для затягивания небольших царапин либо трещинок собственные «встроенные возможности», другими словами — некие добавочные компоненты в исходном составе.
Красота же разработки Падтур содержится как раз в том, что для наращивания свежего защитного слоя турбины будут применять вещество, попадающее на них на протяжении «песчаных атак».
А ещё, как утверждают авторы этого изучения, подобный способ возможно применить и для защиты лопаток от вторых атакующих их компонентов — золы, разных загрязнителей и соли воздуха. Они будут сами компенсировать наносимый ими вред: взаимодействовать с покрытием турбины и залечивать его повреждения.
