Проблему термостойкости поршней двигателей внутреннего сгорания пытаются решить все мировые производители автомобилей. Ученые Южно-Уральского государственного университета предложили недорогой, высокоэффективный и экологически чистый способ защиты двигателя от перегрева.
«Мы предлагаем наносить на поверхность поршней двигателя внутреннего сгорания термобарьерное покрытие, отличающееся от зарубежных и отечественных аналогов тем, что оно будет наноситься методом детонационного напыления и состоять из двух компонентов, – рассказывает доктор химических наук, старший научный сотрудник кафедры материаловедения и физикохимии материалов ЮУрГУ Дмитрий Жеребцов. – Это микропорошок кварцевого стекла, а связка между его частицами – пластичный алюминиевый сплав. Совместное напыление смеси этих двух порошков позволит решить две больших проблемы: создать покрытие, которое имеет низкую теплопроводность, и в то же время сохранить достаточную прочность, устойчивость к растрескиванию и отслаиванию».
Аналогичные исследования ведутся во всем мире. В основном тестируются покрытия на основе оксида алюминия и оксида циркония. Челябинские ученые надеются, что именно плохо проводящий тепло кварц позволит достичь более высокой защиты от теплопереноса. А значит, лучше защитить алюминиевый сплав поршня от воздействия раскаленных газов в камере сгорания двигателя.
Еще одно преимущество челябинской разработки – это способ нанесения.
«Суть метода детонационного напыления – в том, что за счет энергии взрыва газовой смеси частицы наносимого материала ускоряются и разогреваются до температур, близких к температурам плавления, – объясняет инженер кафедры информационно-измерительной техники ЮУрГУ Кирилл Пашкеев. – Когда смесь ацетилена и кислорода взрывается, частицы вылетают со сверхзвуковой скоростью, в момент удара эти разогретые частицы деформируются и слипаются друг с другом, образуя таким образом композитное покрытие».
Сложность работы заключается в том, что исходные материалы имеют разную температуру плавления: оксид кремния плавится при 1720 градусах Цельсия, оксид алюминия – при 2050, а оксид циркония нужно нагревать до 2420 градусов. Чтобы композитное покрытие не растрескивалось при работе поршня, необходимо уравнять коэффициенты теплового расширения всех составляющих материалов.
«Это возможно сделать несколькими способами, – рассказывает Кирилл Пашкеев. – Самый простой – напылить на алюминиевый поршень дополнительный слой материала, коэффициент теплового расширения которого находится между алюминием и оксидом. Например, это может быть никелевое покрытие или нержавейка, что-то вязкое, что распределит нагрузку и уравняет деформации. Получится слоеная структура покрытия. Второй способ – это смешивание оксидной части с определенной фракцией металлических частиц. И сейчас мы смешиваем эту металлическую основу с оксидом кремния в разных соотношениях с целью изучения термобарьерных свойств и стараемся выровнять коэффициенты теплового расширения в покрытии и поршне для того, чтобы наше покрытие было долговечным».
Метод детонационного напыления до сих пор применялся при производстве летательных аппаратов и космической техники, например, для обработки сопел реактивных двигателей. Сейчас эта технология «перекочевывает» в машиностроение. По словам ученых, если опыты пройдут удачно, можно будет увеличить ресурс работы двигателя от 10 до 20 процентов. При этом само детонационное напыление – быстрый и сравнительно дешевый процесс. По трудоемкости и затратам он сродни никелированию и хромированию и вполне может быть встроен в технологические цепочки любых российских предприятий. При этом в гальванических цехах при хромировании и никелировании выделяются канцерогены, а детонационное напыление экологически безопасно. Материал для получения композитного покрытия – кварц – также недорогой и достаточно распространенный. Поэтому в целом все это должно быть очень экономичным и «чистым» методом, не требующим особых капитальных вложений.
Ученые ЮУрГУ надеются в течение ближайшего года получить покрытие, достойное внимания, и перейти к испытаниям в промышленных лабораториях. Партнерами могут стать ведущие машиностроительные предприятия России, поскольку композитный термобарьерный материал может быть использован в любых поршневых двигателях – от легкового автомобиля до трактора.