КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 17-79-10309
НазваниеРазработка инженерно-физических основ формирования градиентных нанокомпозитных высокотемпературных покрытий на основе оксида гафния
Руководитель Савушкина Светлана Вячеславовна, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации "Исследовательский центр имени М.В. Келдыша" , г Москва
Конкурс №23 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий
Ключевые слова Теплозащитное покрытие, оксид гафния, нанокомпозитное покрытие, градиентное покрытие, жидкостной ракетный двигатель, наночастицы
Код ГРНТИ55.42.09
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Расчётные оценки и экспериментальные исследования теплового состояния стенок камер сгорания разрабатываемых перспективных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), в том числе двигателя, реализующего беззавесное детонационное горение, показали актуальность разработки теплозащитного покрытия (ТЗП) с повышенной рабочей температурой. Формирование такого покрытия может позволить форсировать режимы работы двигателя и осуществлять работу двигателя с частично отключенной завесой охлаждения, что увеличит его тягу. Физические механизмы изменения структуры, в том числе уменьшения теплопроводности, стандартного покрытия на основе диоксида циркония практически достигли физических пределов. Поэтому для увеличения рабочей температуры теплозащитного покрытия требуется использование новых перспективных материалов и их комбинаций. В данном проекте в качестве материала теплозащитного слоя предлагается использование оксида гафния в связи с его сходством по свойствам с диоксидом циркония, но обладающего более высокими температурами плавления и фазовых переходов. В мировой практике уже проводили экспериментальные исследования замены диоксида циркония на оксид гафния в термобарьерном слое теплозащитного покрытия для лопаток турбин газотурбинных двигателей, однако, при стандартной схеме двухслойного ТЗП он не показал лучших характеристик, что связано с его меньшим коэффициентом теплового расширения. Также использовали смешанные структуры покрытия из оксидов циркония и гафния, стабилизированных оксидом иттрия. Но в этом случае рабочие температуры уступали оксиду гафния.
Решением данных проблем может стать создание новой градиентной нанокомпозитной структуры покрытия с постепенным изменением коэффициента теплового расширения (КТР), содержащей переходный связующий металлический слой, слой оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, и слой оксида гафния, стабилизированного оксидом иттрия, а также переходных слоев смешанного состава на границах основных слоев. Для наноструктурного покрытия характерно более равномерное распределение пор и их неразрушающий структуру характер. Это позволяет создавать в покрытии большую общую пористость при сохранении функциональных свойств, что уменьшает его теплопроводность и приводит к увеличению рабочей температуры. Известно множество способов наноструктурирования покрытий при электронно-лучевом осаждении. Однако, данным методом затруднительно нанесение покрытий однородной толщины на внутренних стенках камер сгорания ЖРД. Поэтому в проекте верхние керамические слои будут получены методом плазменного напыления в вакууме.
Для формирования нанокомпозитного покрытия на основе оксида гафния будут проведены расчетные исследования и проектирование сопел, реализующих резкое расширение сверхзвукового потока внутри сопла. В результате будет происходить конденсация паровой фазы оксида гафния с образованием наночастиц, что позволит формировать нанокомпозитные покрытия. Известно, что совместное легирование структуры керамического покрытия некоторыми оксидами увеличивает стойкость к спеканию. Напыление потоками плазмы со сверхвысокими скоростями (~ 1,5 км/с) с помощью разработанных сопел позволит создавать градиентную структуру нанокомпозитного покрытия с переходными слоями толщиной до 10 мкм на границах основных слоев. Наличие совместно легированных слоев позволит увеличить адгезию и постоянство теплофизических свойств покрытия в целом. Получаемая структура нанокомпозитного градиентного покрытия будет характеризоваться плавным изменением коэффициента теплового расширения от внутреннего слоя к поверхностному и постепенным уменьшением теплопроводности. Это позволит увеличить стойкость покрытия при термоциклических нагрузках, уменьшит термомеханические напряжения, вызванные разницей КТР покрытия и изделия, увеличит температурный диапазон работы и уменьшит подверженность высокотемпературному спеканию покрытия, т.е. при продолжительной работе при высоких температурах (более 2100 К) покрытие будет дольше сохранять свои теплофизические свойства.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ