Ученые и студенты Передовой инженерной школы «Высшая школа авиационного двигателестроения» Пермского национального исследовательского политехнического университета изучили, как технологические факторы плазменного напыления влияют на итоговую структуру жаростойкого слоя лопаток авиационного двигателя, и определили наиболее оптимальный режим нанесения этого типа покрытия.
Качество и долговечность жаростойких покрытий во многом зависят от технологии их нанесения. Одним из наиболее распространенных методов является атмосферное плазменное напыление, когда частицы материала распыляются и ускоряются с помощью плазменной струи, которая создается дуговым прогревом смеси газов (например, аргона и водорода). Такой способ обеспечивает высокую производительность процесса при относительно низкой стоимости.
Тем не менее он имеет свои недостатки: при напылении металлических жаростойких покрытий излишняя пористость и окисление материала снижают эффективность защиты лопаток от окисления и высокотемпературной коррозии. От качества получаемой структуры жаростойкого покрытия зависит и его общая долговечность.
Ученые определили, как различные параметры напыления, такие как расход газов (аргона и водорода), сила тока дуги и расстояние напыления, влияют на итоговую структуру жаростойкого покрытия лопаток турбины.
Политехники провели эксперимент, в ходе которого металлический порошковый материал системы NiCoCrAlY наносили на образцы из жаропрочного сплава методом атмосферного плазменного напыления. Этот материал широко применяется для создания жаростойких слоев теплозащитных покрытий.
«Скорость и температура порошка при нанесении на лопатки играют критически важную роль в прочности покрытия, поскольку от них зависит сцепление частиц с металлом, пористость, степень окисления и так далее. В результате экспериментов мы обнаружили, что увеличение расхода аргона снижает температуру частиц, а повышение расхода водорода и силы тока дуги, наоборот, ее поднимает. Это связано с тем, что аргон менее эффективно нагревает порошок, чем водород. В случае же со скоростью — чем больше расход аргона и сила тока дуги, тем больше скорость частиц. Все это положительно сказывается на качестве покрытия», — отметил доцент кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ Андрей Сметкин.
Полученные политехниками уравнения позволяют прогнозировать температуру и скорость частиц при различных параметрах напыления, что упрощает процесс настройки оборудования и снижает количество экспериментов, необходимых для достижения оптимальных результатов.
«Мы определили наиболее оптимальный режим напыления жаростойкого покрытия. Температура металлических частиц в диапазоне от 2410 до 2435 °С и скорость в районе 145 м/с обеспечивают равномерность покрытия с минимальными дефектами и высоким качеством сцепления с подложкой. Также было установлено, что расстояние в 100 мм является оптимальным для напыления: снижение дистанции до 80 мм ведет к излишнему перегреву материала основы, тогда как увеличение до 120 мм приводит к снижению толщины покрытия на 15–20%», — рассказал студент магистратуры ПИШ «Высшая школа авиационного двигателестроения» Александр Малышев.
Результаты исследования ученых Пермского Политеха имеют важное практическое значение для авиационной промышленности. Оптимизация параметров напыления позволяет получить более качественные теплозащитные покрытия, которые будут лучше защищать турбинные лопатки от экстремальных температур и коррозии. Это, в свою очередь, увеличит срок службы лопаток и повысит надежность и безопасность авиационных двигателей.
Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение», т. 27, № 1, 2025.
С 2025 года проект «Передовые инженерные школы» реализуется в рамках национального проекта «Молодежь и дети».