Анотація:
МЕТА НАУКОВИХ ДОСЛІДЖЕНЬ: розробити склади і режими одержання гарячим пресуванням (ГП) керамічних композиційних матеріалів конструкційного призначення на основі диборидів, дослідити структурну чутливість комплексу фізико-механічних властивостей нової кераміки. У прикладному плані ставиться завдання розробки керамічні конструкційні матеріалів для інтервалу робочих температур 20–2000 оС, включно, в умовах окислювальних газових середовищ, що містять продукти згоряння палива.
Основні результати роботи:
1. Вивчено умови одержання, структура та властивості міцності кераміки систем ZrB2–15% об.MoSi2, ZrB2–15% об.WSi2 Розроблено технології отримання кераміки методом ГП (ТГП 1770–1840 оС (для кераміки ZrB2–MoSi2), 1900 оС (для кераміки ZrB2–WSi2) та 2170–2250 оС (для кераміки ZrB2–SiC); при ізотермічній витримці 45–60 хвилин).
2. Вивчено основні структурні характеристики кераміки (пористість, фазові склади та розміри зерен фаз). У кераміці з добавками WC, WSi2, Mo2C, MoSi2 та B4C утворюються тверді розчини на основі ZrB2. Залежно від характеристик використаних порошків ZrB2 при ГПБЗА, а також від технології ГП (ВГП і ГПБЗА) може мати місце утворення значної кількості (до 10% об.) ZrO2. Це дозволяє істотно змінювати напружено-деформований стан кераміки в області низьких температур і зернограничну міцність при високих температурах та переводити матрицю кераміки з ZrB2 від напружень розтягу до напружень стиснення і вибірково збільшувати як низько-, так і високотемпературну міцність. Навколо вихідних зерен ZrB2 утворюються тверді розчини (Zr,Me)B2, при додаванні WSi2, WC, CrB2 и MoSi2, формуються структури типу ядро–оболонка. Найбільш стабільними фазами є SiC, B4C и ZrB2. Навпаки, WSi2, WC, CrB2 та MoSi2 реагують при спіканні, розкладаються з утворенням твердих розчинів і нових сполук.
3. Напружено-деформований стан УВТК ZrB2–SiC досліджено методом рентгенівської тензометрії. Підвищення рівня внутрішніх напружень в кераміці з ростом температури в'язко-крихкого переходу Tve ми пов'язуємо зі збільшенням міцності границь зерен. Високий рівень внутрішніх напружень в фазах свідчить про придушення їх високотемпературної в'язкої релаксації в умовах високої міцності границь зерен. Для таких станів ми отримуємо високу міцність самої кераміки при високих температурах.
4. Розроблено склади і технологію отримання УВТК в атмосфері СО–СО2.. Оптимізацію складів і режимів виготовлення виконано в рамках структурного конструювання кераміки за схемою: склади і технологія отримання → зерногранична міцність кераміки → механічні та службові характеристики. Атестація при кімнатній температурі показала досягнення характеристик відповідних тех. завданню замовника – міцність при кімнатній температурі – до 700 МПа, тріщиностійкість ~5.5 MПa∙m1/2. У режимах дослідно-промислового виробництва для кераміки ZrB2–SiC рівень міцності при кімнатній температурі і 1800 оС змінювався в межах 380–420 МПа і 216–253 МПа відповідно.
5. Стійкість до окислення композитів на основі дибориду цирконію зростає в ряду від карбідів до силіцидів. Найвищу стійкість до окислення мають матеріали з силіцидними добавками в особливості добавка силіциду молібдену, який може забезпечити роботу матеріалу при 1500 оС більше десятка годин.
6. Максимальна швидкість окислення у корозійностійких композитах на основі ZrB2 становить 1,4 мг/(см2∙год) а в той час як мінімальна 0,6 мг/(см2∙год). Оптимальна товщина для використання даних матеріалів в якості жаростійких становить 500 мкм.
7. Порівняння отриманих результатів з літературними при температурі 1400 та 1500 оС і витримці 2 години, показує, що розроблена кераміка має дуже високу стійкість до окислення в порівнянні з аналогами.
8. Виконано дослідження процесу ерозії УВТК в потоці продуктів згоряння від високотемпературного плазмового пальника при температурі потоку ~1600 °С. Механізмом, що визначає абляцію, є руйнування сформованого оксидного шару і відшарування лускатих оксидів. В умовах термоерозійного впливу надзвукового потоку продуктів згоряння у стехіометрічних повітряно-паливних сумішах з температурою 2100 ° С випробувані УВТК-покриття забезпечують збільшення часу експлуатації УВТК до початку руйнування поверхні не менше, ніж на 20 хвилин (УВТК сполуки ZrВ2 – 15 MoSi2) і на 12 хвилин (УВТК сполуки ZrВ2 – 3 SiС – 5 WC).
10. Можлива сфера застосування випробуваних УВТК та УВТК покриттів – зовнішні поверхні на УУКМ, вкладиші і розтруби надзвукової частини сопел твердопаливних ракетних двигунів, гострі кромки і носові обтічники надзвукових літальних апаратів, високотемпературні вузли ГТД та ін. машини і апарати.
КЛЮЧОВІ СЛОВА: диборид цирконію, УВТК, взаимодія, структура, напружено-деформований стан, окислення, ерозійна стійкість.
Опис:
СКОРОЧЕНИЙ ЗМІСТ ВИСНОВКІВ РЕЦЕНЗЕНТІВ.
В обох рецензіях зазначено, що всі дослідження теми виконуються з кінцевим прикладним завданням – розробити склади ультрависокотемпературної кераміки (УВТК) для покриттів, що забезпечують збільшення часу експлуатації углерод-углеродних композиційних матеріалів (УУКМ) до початку руйнування поверхні не менш, ніж на 20 хвилин (УВТК сполуки ZrB2-15MoSi2) і на 12 хвилин (УВТК сполуки ZrB2-3SiC-5WC). Можливі сфери застосування УВТК покриттів на УУКМ – вкладиші і розтруби надзвукової частини сопел твердопаливних ракетних двигунів, гострі кромки і носові обтікачі надзвукових летальних апаратів.
Основні результати роботи націлено на отримання кінцевого прикладного завдання – розробити склади та технології отримання як компактної кераміки так і покриттів з підвищеним рівнем експлуатаційних характеристик відповідно до технічних завдань можливих замовників для авіакосмічної промисловості, в енергетиці та в інших галузях техніки. Саме цими додатками, які визначають технологічний і науковий рівень України як держави в ряду інших країн, визначається актуальність роботи.
Робота є актуальною, важливою і оригінальною, виконаною на високому науковому рівні, її результати достовірні і перспективні для продовжування. Отриманні нові наукові результати мають прикладне значення в області матеріалознавства УВТК.
Звіт по темі підлягає схваленню та утвердженню.
ПРОПОЗИЦІЇ ПРО ПОДАЛЬШЕ ВИКОРИСТАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ РОБОТИ.
Виконані дослідження направлено на розширення робочого температурного інтервалу кераміки до 2000 оС; сумісно з КБ «Прогрес» - аналіз застосування нових матеріалів в конструкціях ГТД та в об’єктах аерокосмічної техніки з робочою температурою 1800–2000 оC. УВТК може бути використана не тільки у вигляді тривимірних виробів, але і бути основою для теплозахисних покриттів на жароміцних металевих матеріалах і сплавах. Можлива сфера застосування випробуваних УВТК -покрить на УУКМ - вкладиші і розтруби надзвукової частини сопел твердопаливних ракетних двигунів, гострі кромки і носові обтічники надзвукових літальних апаратів.