О защите высокотемпературных авиакосмических материалов

Например, лопатки изготавливают из монокристаллических сплавов на базе Ni3Al с термобарьерным покрытием, состоящим из защитных слоев, уменьшающих окисление, слоев с низкой теплопроводностью, снижающих термическое воздействие и диффузионных барьерных слоев препятствующих диффузии элементов между слоями. Серийные лопатки турбин ГТД из суперсплавов на базе Ni3Al имеют предел рабочих температур 1150оС. Термобарьерные покрытия и транспирационное охлаждение позволяют повысить рабочие температуры примерно до 1500оС. Внутреннее покрытие лопатки содержит, обычно, диффузионный барьер и слой алюминия. Внешнее покрытие состоит из наружного теплозащитного керамического слоя (ceramic coating) на базе ZrO2-8%Y2O3, барьерного слоя на базе Al2O3, связующих жаростойких слоев (bond coating) на базе MCrAlY (М – Ni, Co, Si). В таком покрытии защитную оксидную плёнку формируют Al, Cr, Si, диффузионные процессы тормозят барьерные легирующие элементы Та, Mo, Re, W и их карбиды, а для улучшения адгезии используют микролегирующие добавки (Y, Ce, La, Hf). Покрытия MCrAlY наносятся преимущественно с помощью методов HVOF, EBPVD. Теплозащитные покрытия и Al2O3 наносят преимущественно методами EBPVD, APS. Диффузионные барьерные покрытия наносятся, как правило, с помощью вакуумного ионно-плазменного напыления.

К двигателям 2025-2030 гг. предъявляются требования по топливной эффективности и по таким показателям, как уменьшение: удельного расхода топлива на 25...30 %, уровня шума двигателя, стоимости производства и послепродажного обслуживания на 30...40 % [В. И. Бабкин, Роль науки в решении практических задач авиационного двигателестроения // Двигатель. 2013. Т.87. N.3. С.1-6.]. Некоторое улучшение рабочих характеристик традиционных двигателей ожидается от внедрения новых материалов таких, как сплавы на основе Nb-Si или от матричных композитов в блоке лопаток, а также от внедрения неохлаждаемых камер сгорания с покрытием из карбида кремния, от внедрения безмаслянных трансмиссий и т.д. Например, применение вместо масляной трансмиссии с подшипниками качения антифрикционных материалов, работающих в паре трения при высоких температурах , позволит снизить стоимость двигателя на 25%. Примером новых разработок является адаптивный реактивный двигатель (ADVENT) американской компании General Electric, который содержит новые легкие и жаропрочные керамические матричные композиты и адаптивный каскад низкого давления, что позволило получить «рекордные в истории авиации» температуры в зоне компрессора и турбины и на 25% повысить экономичность. Другой газотурбинный вертолетный двигатель на матричных композитах созданный компанией GE Aviation в рамках программы FATE должен снизить удельное потребление топлива на 35%, повысить ресурс на 20%, а расходы на производство и техобслуживание уменьшить на 45 процентов. В российских проектах серии ПАК (ПАК ДА и ПАК ТА) также ведутся поиски новых решений и материалов для двигателей.

В документе «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» (2011 г.) в области высокотемпературных авиационных материалов поставлены следующие цели:

  1. Создание нового класса высокотемпературных композитов Nb/NbSi с плотностью ~7,5 г/см3 и рабочими температурами до 1350°С.
  2. Разработка жаростойких покрытий и соединительных слоев ТЗП для жаропрочных сплавов на основе ниобия с интерметаллидным упрочнением на рабочую температуру 1350°С.
  3. Создание нового класса композиционных материалов с матрицей из интерметаллида NiAl, упрочненной тугоплавкими оксидами и волокнами, позволяющими увеличить рабочие температуры материала до 1400°С и ресурс деталей – в 2–2,5 раза.
  4. Разработка теплозащитных покрытий с керамическим слоем низкой теплопроводности (≤1 Вт/(м·К)) с рабочей температурой 1150, 1200 и 1350°С.
  5. Создание новых технологий изготовления лопаток ГТД с высокоэффективным охлаждением, включая керамические формы и стержни для лопаток из новых перспективных сплавов.

Улучшение материалов двигателей позволит лишь немного улучшить характеристики традиционных воздушных реактивных двухконтурных двигателей, возможности которых уже близки к теоретическому пределу. Поэтому рассматриваются новые конструкции двигателей, сочетающие в себе традиционную газовую турбину и газогенераторы, работающие с другими термодинамическими циклами (пульсирующие воздушно-реактивные и детонационные двигатели). Предлагаются комбинированные конструкции двигателей, способных работать как в атмосфере, так и в космосе.

Важными задачами всех новых разработок являются: радикальное снижение стоимости двигателя при повышении его КПД и снижении затрат на техобслуживание. Сегодня авиация использует диапазон высот 0...20 км, а космонавтика выше 140 км. Промежуток от 20 до 140 км осваивается, как «снизу», повышением высотности и скоростей авиации, так и «сверху», путем снижения высот полетов космических аппаратов и расширением их маневренности в атмосфере. Разрабатываются двухсредные авиакосмические системы (АКС) – воздушно-космические самолеты (ВКС), являющиеся многоразовыми крылатыми аппаратами, созданными по авиационным технологиям с возможностью маневрирования в атмосфере и посадкой на аэродромы. Примерами «освоения сверху» являются запускаемые с ракет-носителей орбитальные корабли «Спэйс-Шаттл», «Энергия-Буран», а также недавно вернувшийся с орбиты после двух лет полета X-37B Orbital Test Vehicle-4. Примерами «освоения снизу» являются проекты ВКС Boeing X-43, космический бомбардировщик Ту-2000Б и ВКС МГ-19. Например, комбинированная двигательная установка ВКС МГ-19 была рассчитана на высоту полета 50 км при скорости до М~16 и содержала ядерный ракетный двигатель (ЯРД), двухконтурные турбореактивные двигатели (ДТРДФ), гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД). В настоящее время в Великобритании разрабатываются комбинированные двигатели нового типа для космоплана Scylon и гиперзвукового самолета Lapcat.