Лопатки газовых турбин, как правило, изготавливаются из суперсплавов на основе никеля, устойчивых к коррозии. Однако даже эти материалы могут плавиться под воздействием высоких температур, характерных для процессов сжигания топлива. С целью дополнительной защиты на лопатки наносится защитное покрытие, которое позволяет повысить рабочую температуру турбины и при этом сберечь ее компоненты от смягчения и плавления.
Сырьем для термобарьерных покрытий являются иттрий и диоксид циркония, которые отличаются высокой температурой плавления и низкой теплопроводностью. С помощью математических вычислений ученые пытаются найти еще более эффективные аналоги, отвечающие трем дополнительным критериям: при нагреве материал должен расширяться соразмерно суперсплаву, иначе покрытие будет отслаиваться; при значительном повышении температуры материал не должен претерпевать фазовых переходов, которые сопровождались бы образованием трещин; наконец, он должен быть устойчив к воздействию пыли и кислорода при высокой температуре и препятствовать диффузии ионов кислорода в суперсплав, чтобы под покрытием не происходило окисления.
Чтобы определить свойства искомого материала, ученые Сколтеха использовали метод однородной неравновесной молекулярной динамики. «Это достаточно неожиданно, потому что он требует расчётов на очень больших системах в течение долгого вычислительного времени и сбора большой статистики. То есть вычисления очень сложные. Но нам удалось их упростить, дополнив метод машинно-обученными потенциалами: взаимодействия между атомами не рассчитывались напрямую, а предсказывались искусственным интеллектом», – цитирует Сколтех аспиранта Маджида Зераати.
Расчеты показали, что для изготовления термобарьерных покрытий можно применять ниобат иттрия (Y3NbO7), использующийся в медицинской и промышленной рентгенографии, а также перовскитные структуры с формулами BaLaMgTaO6 и BaLaMgNbO6. По оценке авторов исследования, эти материалы должны демонстрировать более высокую эффективность, чем диоксид циркония, допированный иттрием.
