Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) разработали защитное покрытие для деталей газоперекачивающих установок. Это повысит надежность и увеличит ресурс безостановочной работы оборудования, которое обслуживает газовую отрасль России.
Сейчас поиск материалов и способов нанесения покрытия является важнейшим вопросом энергетического суверенитета страны. Во время эксплуатации рабочие лопатки турбин испытывают экстремальные тепловые и механические нагрузки. Их необходимо покрывать защитным слоем, чтобы весь агрегат работал эффективно.
Инженеры Питерского Политеха разработали технологии нанесения термобарьерного и жаростойкого покрытий на рабочие лопатки первой и второй ступеней газотурбинной установки Т32 «Ладога» и применили их на практике.
«Эта разработка — пример того, как фундаментальные компетенции нашего института в области материаловедения превращаются в готовое инженерное решение для реального сектора экономики. После ухода зарубежных поставщиков перед отраслью остро встала задача обеспечить полный цикл обслуживания газоперекачивающего оборудования собственными силами. Принципиально важно, что технология доведена не до лабораторного образца, а до изделия, отвечающего всем требованиям заказчика», — подчеркнул директор Института машиностроения, материалов и транспорта СПбПУ Анатолий Попович.
Он добавил, что именно такие решения, рожденные в тесном партнерстве науки и промышленности, и формируют технологический суверенитет страны.
«В самом общем виде термобарьерное покрытие представляет собой многослойную систему. Для его формирования мы использовали две взаимодополняющие технологии, — рассказал ведущий научный сотрудник научно-образовательного центра „Конструкционные и функциональные материалы“ СПбПУ Дмитрий Масайло. — Сначала с помощью сверхскоростного газопламенного напыления нанесли связующий слой для защиты лопатки от окисления, а также для компенсации разницы коэффициентов термического расширения между материалом основы (металлом лопатки) и защитной керамикой. Затем поверх этого слоя методом атмосферного плазменного напыления сформировали керамический слой, который и принимает на себя тепловой удар во время работы газотурбинной установки».
Исследователи отмечают, что за кажущейся простотой стоят годы работы в лаборатории и сотни экспериментов. По их словам, сами технологии напыления хорошо описаны в литературе, и получить качественное покрытие на простом лабораторном образце относительно несложно. Трудности начинаются при переходе от плоской металлической пластины к сложнопрофильной лопатке турбины, где нужно добиться одинаковой толщины покрытия по всей поверхности изделия. На решение этой задачи у них ушло больше времени, чем на подбор режимов напыления.
Кроме того, ученые работают над созданием принципиально новых материалов для связующего слоя. Это позволит увеличить ресурс работы защитного покрытия для деталей газоперекачивающего агрегата. Как показал анализ научно-технической литературы и опыт отраслевых специалистов, именно слой между металлом лопатки и керамикой определяет надежность всего изделия — в то время как существующие материалы имеют ряд ограничений.
«Новые вызовы в отрасли дали мощный импульс для работы по созданию новых материалов на основе высокоэнтропийных сплавов. Они обладают уникальными свойствами по сравнению с традиционными подходами. Это относительно новое направление в материаловедении, и многое здесь приходится проходить впервые», — отметил инженер лаборатории «Синтез новых материалов и конструкций» СПбПУ Артем Ким.
По его мнению, внедрение новых сплавов потребует времени: химические составы материалов жестко регламентированы нормативными документами, поэтому новым решениям предстоит пройти полный цикл исследований, ресурсных испытаний и сертификации. Он уверен, что опыт и компетенции исследователей помогут им справиться с этой задачей. В перспективе коллектив продолжит работу и по созданию новой рецептуры, и по улучшению нового метода нанесения покрытий.
Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (национальный проект «Молодежь и дети»).
