Звіт про науково-дослідну роботу: „ Фізико-хімічні та технологічні основи отримання високотемпературної кераміки та in-sity композитів на базі безкисневих тугоплавких сполук для авіа-космічної техніки та газотурбінних двигунів ”

Abstract

Загальна мета наукових досліджень: Дослідження впливу технологічних параметрів отримання і складу кераміки на зернограничну міцність матеріалу та визначення кореляційних співвідношень між зернограничною міцністю та комплексом механічних і службових властивостей кераміки. Розробка складів та технології гарячого пресування ультра-високотемпературної кераміки на основі бориду цирконію для високотемпературних вузлів та деталей ГТД і літальних апаратів, схильних до окиснення та ерозії у високотемпературних газових потоках. Згідно з технічним завданням проекту загальна ціль за проектом була розбита на конкретні завдання: 1. Виконати систематичні вимірювання зернограничної міцності в композиційній ультрависокотемпературній кераміці на основі бориду цирконію з вирішенням основної матеріалознавчої проблеми- структурне конструювання нових матеріалів, та їх отриманням з наперед заданими властивостями. Ця проблема була вирішена вперше в світі при розробці, виготовленні та випробуванні нового приладу для вивчення властивостей кераміки та інших крихких матеріалів з записом кривих втілення P-h при навантаженнях до 1000 Н з розвитком комплексних методів вимірювання зернограничної міцності композиту з подальшим встановленням кореляційних взаємозв’язків між зернограничною міцністю і комплексом механічних і службових властивостей кераміки (глава 1 звіту). 2. Основні зусилля щодо розробки складів та технологій виготовлення УВТК були спрямовані на розробку зернистих композитів ZrB2-MoSi2 для яких були розроблені технології низькотемпературного швидкісного спікання, що дозволяє суттєво знизити витрати на виготовлення. Кераміка має найвищий опір окислення при високих температурах і опір повзучості багато більшим, в порівнянні з базовою УВТК на основі системи ZrB2-SiC. (глава 2 звіту). Було виявлено, що первинне завдання розробити армовані композити бориду цирконію – волокнисті матеріали на основі карбіду кремнію та вуглецю виявилося не перспективним через інтенсивну взаємодію волокон карбіду кремнію та вуглецю. 3. Завдання розробити склади і технології отримання покриттів на основі УВТК на високотемпературних конструкційних металах і сплавах, високотемпературній кераміці, армованому конструкційному графіті та волокнистих композитах вуглець/вуглець була вирішена з використанням в якості покриттів з УВТК кераміки 60ZrB2 + 20SiC + 20AlN (глава 3 звіту). Завдання забезпечення працездатності в агресивних середовищах як ультрависокотемпературної кераміки, так і покриттів з неї було вирішено шляхом розробки нової захисної системи ZrB2-SiC-AlN, за рахунок утворення на поверхні захистних мулітних покриттів (глава 3) Отримані результати: 1. Вперше у світовій практиці досліджень розроблено та виготовлено прилад для вимірювання макротвердості крихких матеріалів з навантаженнями до 1000 Н із записом кривих навантаження-розвантаження P-h та з вимірюванням міцносних властивостей кераміки (міцність зерногранична, на стиск та розтягування, тріщиностійкість). Прилад був випробуваний та використаний для атестації ряду керамічних матеріалів, у тому числі броньових на основі карбідів кремнію та бору. 2. Виконано комплексне дослідження керамічних матеріалів на основі карбідів кремнію (з 4 об.% SiC) та бору(з 8 об.% B4C) в умовах контактної взаємодії при проникненні індентерів Віккерса. Дослідження проведено як на основі аналізу розмірів відбитків та областей руйнування в контактній зоні при навантаженнях до 500 Н, так і за кривимипроникнення P-h за допомогою спеціально розробленого твердоміра з максимальним навантаженням до 1000 Н 3. Виявлено, що показники опору проникнення двох матеріалів близькі при навантаженнях до 100 Н. Зі збільшенням навантажень до 1000 Н опір проникнення карбіду кремнію значно вищий, ніж у карбіду бору, що обумовлено різницею їх величин контактной прочности. Карбід кремнію має менший рівень контактної міцності на розтяг, зернограничної міцності і тріщиностійкості, ніж карбід кремнію. Це призводить до інтенсивного розтріскування матеріалу та ефективного стискання його в ядрі під індентером. В результаті збільшується робота проникнення, межа міцності при стиск та макротвердість кераміки. 4. У карбіді бору більш високі контактна міцність на розтяг, зерногранична міцність і тріщиностійкість обмежують мікророзтріскування кераміки, менша пластичність карбіду бору ускладнює ущільнення більш великомасштабних фрагментів в ядрі і в результаті знижуються питома робота проникнення і контактна міцність на стиск і опір проникненню (твердість). 5. Прилад індентування при високих навантаженнях на індентер із записом кривих проникнення Р-h та нові методи розрахунку характеристик контактної міцності кераміки можуть бути використані в матеріалознавстві для розробки та атестації крихких ударо- та зносостійких матеріалів та в інших сферах застосування. 6. Вперше розроблено нову технологію ГП УВТК в атмосфері СО. Атмосфера СО призводить до високого вмісту С та в умовах рідкофазного спікання кераміка характеризується повною відсутністю первинних фаз та утворенням матричних структур із твердих розчинів на основі бориду цирконію Zr(B,C)2,(Zr,Mo)B2, (Z,Mo)(B,C)2] з включеннями вторинних боридів молібдену, карбідів кремнію та цирконію. 7. Підвищенні температури ГП ZrB2–MoSi2 супроволжується різким зміненням кінетики ущальнення - від параболічних кривих при T < 1600 °C за час спікання ~15 хв. до кривих з різким перегибом при T > 1600 °C з досягненняи щвльності близькї до теоретичної за час порядку 2 хв. Швидкісні режими ущільнення обумовлені екзотермічними фазовими перетвореннями, що значно підвищують реальну температуру дифузійних зонах взаємодій фаз. 8. Розроблена нова технологія низькотемпературного швидкісного спікання УВТК фактично протікає структурними механізмами, аналогічними розвиваються при СВС-процесах. 9. При температурах ГП 1850–2150 °C розвиваються процеси повзучості, досягається компактний стан зразків з утворенням однорідних за обсягом зерен твердих розчинів на основі ZrB2. Кераміка із вихідних компонентів ZrB2–МoSi2 має найвищий опір повзучості в порівнянні з базовою ZrB2–SiC та ін. 10. Вивчено структуроутворення при окисненні плазмового покриття складу (мас.%) 60ZrB2 + 20SiC + 20AlN в режимі термоциклювання (2000оС, 2 хв, 15 циклів). На поверхні утворюється мулітний твердий розчин складу Al2SiO5, що містить сфероїдізіровані частки m-ZrO2, розміром 1...2 мкм. На поверхні цього шару утворюється тонка захисна плівка твердого розчину мулліту SiO2-Al2O3 товщиною декілька мкм, що є ефективним захисним бар&apos;єром для дифузії кисню в об’єм зразка до температур ≤.1900оС. 11. Нова захистна мулітна система яка забезпечує захист від окислення кераміки плазмового покриття системи ZrB2-SiC-AlN до високотемпературної корозії до температур ≥ 1900°С і є більш стійкою порівняно з захисною системою, що використовується у світі, на основі SiO2. КЛЮЧОВІ СЛОВА: УЛЬТРАВИСОКОТЕМПЕРАТУРНА КЕРАМІКА, СТРУКТУРА, МІЦНІСТЬ, диборид циркония, карбід хрома, карбід бора, спікання під тиском в вакуумі, кінетика ущільнення.