Газотурбинные авиадвигатели работают по циклу Брайтона, и один из ключевых параметров их эффективности — температура в турбине. Чем она выше, тем лучше КПД, но тут встает проблема: большинство материалов просто не выдерживают таких нагрузок.

Тугоплавкие металлы и их сплавы могли бы стать решением — у них отличная термостойкость и прочность при высоких температурах. Но есть нюанс: они быстро окисляются, образуя рыхлые или летучие оксиды, которые не защищают поверхность. Обычно защиту дают плотные оксидные пленки — Al₂O₃, Cr₂O₃ или SiO₂. Но у тугоплавких металлов они почти не образуются.

Недавно выяснилось, что высокоэнтропийные сплавы (RHEA) с хромом и танталом при окислении создают не классические защитные слои, а сложные оксиды типа CrTaO₄ и CrNbO₄ с рутиловой структурой.

Они оказались неожиданно стойкими. Чтобы понять, как это работает, ученые изучили CrTaO₄ — его микроструктуру, механические и тепловые свойства. Выяснилось, что у него низкая теплопроводность (1,31 Вт·м⁻¹·К⁻¹) и коэффициент теплового расширения, близкий к металлам (6,39±0,11)×10⁻⁶ К⁻¹). Кроме того, он устойчив к коррозии от CMAS (расплавов шлаков), что делает его перспективным для термобарьерных покрытий.

Но если про CrTaO₄ уже многое известно, то CrNbO₄ оставался загадкой. Группа китайских ученых под руководством Яньчунь Чжоу из Чжэнчжоуского университета впервые синтезировала этот материал, изучила его свойства и подтвердила: он может стать двойной защитой для сплавов — и от окисления, и от перегрева.

Результаты опубликованы в издании Journal of Advanced Ceramics.

Мы получили чистый порошок CrNbO₄, спекая Cr₂O₃ и Nb₂O₅, а затем спрессовали его в плотные образцы, — объясняет Чжоу. — После спекания в материале осталось около 3,7% Cr₂O₃, но это даже плюс — он работает как упрочнитель.

Кристаллы CrNbO₄ оказались хорошо сформированными, размером около 2 мкм, а просвечивающая электронная микроскопия подтвердила рутиловую структуру.

Плотность CrNbO₄ ниже, чем у CrTaO₄, что делает сплавы с ниобием легче. А их защитный слой — еще и отличный теплоизолятор. Модуль Юнга (253 ГПа), прочность на изгиб (205 МПа) и трещиностойкость (1,54 МПа·м¹/²) близки к стабилизированному цирконию (YSZ), который используют в теплозащитных покрытиях.

Температура плавления CrNbO₄ — 2053±20 К. Коэффициент теплового расширения анизотропен: по одной оси 5,38×10⁻⁶ К⁻¹, по другой — 7,44×10⁻⁶ К⁻¹, в среднем 6,07×10⁻⁶ К⁻¹. Теплопроводность — всего 1,09 Вт·м⁻¹·К⁻¹ при комнатной температуре и падает до 0,45 Вт·м⁻¹·К⁻¹ при 1473 К. Это ниже, чем у большинства современных термобарьерных материалов.

Но есть нюанс: при нагреве выше 1500 К начинает выделяться Cr₂O₃. «Нужно точно определить границы применения», — отмечает Чжоу.

Польза исследования

• Авиадвигатели: если покрыть лопатки турбин CrNbO₄, можно повысить их температуру работы без риска окисления, что увеличит КПД.
• Энергетика: термостойкие покрытия для газовых турбин электростанций.
• Космос: защита элементов двигателей и конструкций от перегрева в агрессивных средах.

Исследование не учитывает долговременную стабильность CrNbO₄ в реальных условиях — например, при циклических нагрузках или в присутствии примесей. Также неясно, как материал поведет себя под механическим напряжением при высоких температурах.

Ранее российские ученые создали новую обшивку для компонента авиадвигателя.