Разделы сайта

Читаемое

Обновления Sep-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 [ 40 ] 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

барьер, препятствующий диффузии в материал кислорода. Кроме того оно должно содержать мало летучих веществ во избежание лишней эрозии в высокоскоростных газовых потоках. Внутри же должна обеспечиваться хорошая адгезия покрытия с подложкой, но без излишнего проникновения покрытия в подложку. Внутренние слои не должны содержать углерод и сохранять монолитность в условиях эксплуатации чтобы предотвратить карботермические восстановления оксидов во внешних слоях. И, наконец, все поверхности раздела должны иметь химическую совместимость друг с другом и хорошую механическую совместимость с поверхностью УУКМ.

Наилучшую совместимость по термическому расширению и наименьшие скорости окисления среди высокотемпературных керамических материалов имеют материалы на основе кремния. Поэтому большое число публикаций посвящено использованию материалов на основе кремния для долговременной защиты УУКМ. Однако верхний температурный предел их применения определен 1700... 1800 °С. При более высоких температурах рассматриваются покрытия на основе более тугоплавких элементов Ti, Zr, Hf.

Ввиду образования трещин за счет напряжений, обусловленных разностью термических коэффициентов линейного расширения композита и покрытия, требуется включение в материал веществ, которые могли бы заполнять трещины и таким образом обеспечивать более надежную защиту. Все системы защиты УУКМ, успешно действующие при температурах до 1500 °С в течение длительных периодов времени, используют бор. Элементный бор и его соединения вводят в виде модификаторов в углеродные волокна или как компонент покрытия. Основными проблемами в этих системах являются чувствительность к влаге стеклообразу-ющих боратов, длительная совместимость их с наружным покрытием и стойкость в условиях высоких температур в течение длительного времени. При температурах до 1760 °С самозалечивание обеспечивается главным образом в результате образования на поверхности SiOj.

Высокие скорости окисления огнестойких карбидов, таких как HfC, и боридов не позволяют использовать их в качестве долговременной защиты при температурах выше 1800 °С. Поэтому более перспективными являются оксиды.

Критерием при выборе оксидных покрытий является точка плавления, давление паров и ТКЛР. Термостабильность, достаточную для долговременного использования при температурах выше 2000 °С, имеют Zr02 и НЮ2, при более низких температурах можно применять AI2O3.

Другую проблему использования оксидов составляет диффузия кис-орода при высоких температурах. Высокая проницаемость кислорода делает указанные системы неэффективными для применения в качестве кислородных барьеров. Оксид кремния имеет самую низкую проницаемость кислорода и является лучшим материалом для использования в качестве барьера. В связи с этим для создания защиты композита при температурах выше 1800 °С применяют многослойные покрытия: наружный слой - жаростойкий оксид, внутренний слой - из стекловидного SiO Повышение температуры использования УУКМ связано с разработкой многокомпонентных покрытий, в состав которых входят дибо-рит гафния, диоксид гафния и иридий. Эти вещества имеют очень высокую температуру плавления:

Вещество...........................................Hffl НЮ 1г

Температура плавления, °С............ 3250 2810 2454

При разработке покрытия важным параметром является его толщина. Слишком тонкие покрытия не будут достаточно надежно защищать основу от кислорода, а слишком толстые, как правило, бывают хрупкими, легко разрушаются и отслаиваются от поверхности УУКМ.

Широкое применение в деталях ГТД нашли композиты с керамической матрицей SiO. Один из наиболее известных материалов - УВ/SiC (Sepcarbinox) фирмы SEP . Сопло из Sepcarbinox может вьщержать несколько циклов работы при 1700 К в течение 300 с без системы охлаждения.

Sepcarbinox был создан с целью улучшения механических свойств и стойкости против окисления УУКМ путем замены углеродной матрицы на керамическую, состоящую из карбида кремния. При формировании матрицы SiC используется процесс химической пропитки из пара. С помощью этого процесса, применяя в качестве полуфабриката пористые волокнистые каркасы из УВ, получили армированную волокном керамику со следующими матрицами: SiC, SiC+C, TiC, TiC+C, ВС, B3N4 и AI2O3. Наивысшие механические характеристики получены с матрицей из ВС, а наилучшую защиту от окисления гарантировала матрица из SiC.

В качестве сырья использовали поликарбосилан и листы целлюлозной бумаги толщиной 0,26 мм. Листы бумаги пофужали в раствор по-ликарбосилана в бензоле на 1 ч и высушивали 30 мин на воздухе. После этого полуфабрикат нафевали до 1200, 1300, 1400 °С со скоростью подъема температуры до 100°С в час в среде азота и вьщерживали при заданной температуре в течение часа. Таким образом получали листо-



вой км, состоящий из SiC, матрицы, армированной волокнистым наполнителем.

Японской фирмой Норитаке разработан новый высокопрочный композит с керамической матрицей, армированный углеродными волокнами Материал обладает высокой ударной вязкостью, которая в 6 раз выше ударной вязкости традиционных керамических материалов и не ухудшается в интервале температур до 1200 °С. Его изготовляют методом фила-ментарной намотки, применяя в качестве исходного связующего суспензию из нитрида кремния или муллита. После сушки заготовку спекают при 1700 °С методом горячего прессования под давлением 35 МПа. Для получения материала с высокими характеристиками по прочности на разрыв и вязкости разрушения, содержание углеродных волокон в материале должно составлять от 30 до 45 %. Такой материал имеет вязкость разрушения 29 МПа и прочность при изгибе 690 МПа в случае использования в качестве матрицы нитрида кремния, и 18 и 610 МПа соответственно в случае использования муллита.

Для изготовления термостойких высокопрочных конструкций, например ротора газовой турбины, вручную или с помощью машины готовят из кремниевых или углеродных волокон сетчатый каркас заданной формы, несколько меньший по сравнению с конечной формой элемента. Затем методом химического газофазного осаждения поверхность каркаса покрывают керамикой, что осуществляют с помощью лазера или высокочастотного индукционного нагрева.

Композит, сохраняющий прочность до температур свыше 2000 °С, применяемый для изготовления турбинных лопаток, деталей сопла и других жаростойких изделий, получают следующим образом. Формованное изделие из непрерывного УВ и TiC или TiB, TiN и др., пропитывают смесью SiC, SijO, N4, SiOj, Si в термореактивной смоле, отвер-ждают при температурах 20...200°С и карбонизируют в атмосфере аргона при 1000 °С. После карбонизации материал пропитывают жидким кремнием при температуре выше 1450 °С в инертной газовой среде и подвергают термообработке до формирования КМ УВ/SiC.

Высокоплотные многоармированные УУКМ, полученные с применением пека, успешно применяют в соплах ракетных двигателей в самых теплонапряженных зонах, заменяя малопрочные графиты и тяжелые тугоплавкие сплавы на основе вольфрама и молибдена. Так, в двигателях ракет типа Minuteman сопловые вкладыши критического сечения выполнены в виде моноблочной конструкции из УУКМ со структурой 3D, что позволило при модернизации двигателей снизить массу

обеспечить требуемые тяговые характеристики и повысить надеж-Гсть работы сопла. В малогабаритных пороховых ракетах неохлаждае-конструкция сопел часто выполняется из разнородных материалов. Свойства этих материалов для вкладышей критического сечения приведены в табл. 3.11, из которой следует, что комплекс характеристик УУКМ (плотность, прочность, термостойкость) обеспечивает высокую эрозионную стойкость и позволяет получить оптимальную по массе конструкцию вкладыша.

Специалисты ряда фирм считают, что УУКМ обладают особыми преимушествами при их использовании в тормозных дисках авиаколес. Первые сообщения об успешной реализации этих идей появились в 1980-х годах. На основании проработок многочисленных вариантов конструкций из различных материалов (стали, бериллия, металлокерамики и др.) для тормозов межконтинентальных самолетов фирма Dunlop (Англия) установила, что применение УУКМ дает выигрыш в массе узла до 450 кг. При этом срок эксплуатации узлов может достигать 2000 посадок самолета против 600 посадок со стальными дисками.

Известно использование УУКМ структуры 2D для изготовления кромок несущих поверхностей летательных аппаратов, бронирования отсеков танков и судов. Интересной областью применения этих материалов является металлургическая промышленность. Здесь они используются в качестве технологических форм большой износостойкости для произюд-ства тонкостенных деталей из титана. УУКМ успешно заменяют круп-

Таблица 3.11. Некоторые свойства материалов сопла

Материал

Температура плавления (сублимации), °С

Плотность, кг/м

Прочность при изгибе, МПа

Теплопроводность, Вт/м2

Эрозионная стойкость

Стеклопластик (кварц)

Углепластик

1400

1720

ПО...160

0,4...0,9

Низкая

>700

Псевдосплав

(W+Mo)

Графит

Высокоплотный графит

(карбонизация)

1450

60...90

1,0...1,6

Удовлетворительная

3100

1400

Высокая

3700 3700

1650 1880

29...28 34... 38

60...120 80...160

Хорошая Хорошая

УУКМ

3700

1800

90...110

40...70

Высокая

16 - 692S



нозернистый графит при изготовлении пресс-форм в порошковой металлургии, что повышает срок их эксплуатации. В частности, такие формы из УУКМ, предназначенные для получения деталей из кобальта были признаны более экономичными, несмотря на высокую стоимость, из-за повышения рабочего ресурса формы более чем в 2 раза.

Все шире внедряют УУКМ в конструкцию термического оборудования. Это силовые элементы футеровки высокотемпературных печей, замена графита в электродах дуговых электропечей, а также детали для токо-подводящих устройств. В качестве эксперимента проводили работы по обработке деталей поршня двигателя внутреннего сгорания. Однако относительно высокая стоимость УУКМ по сравнению с традиционными материалами сдерживает дальнейшие исследования этой проблемы.

Другой областью применения УУКМ является атомная энергетика. Из этих материалов изготавливают трубы и элементы крепления теплообменников для высокотемпературных атомных реакторов с гелиевым охлаждением.

Абсолютная инертность углерода по отношению к кислотам, щелочам и солевым растворам, а также к органическим растворителям определяет УУКМ как весьма ценный материал для химической аппаратуры и устройств, условия работы которых требуют применения материалов с высокой механической прочностью.

Проводятся работы по возможности использования УУКМ при изготовлении имплантантов в травматологии и ортопедии.

Поиски заменителя асбестовых КМ для тормозных автомобильных накладок стимулировали изучение пригодности использования с этой целью УУКМ. Испьпганиями изделий на стендах бьша установлена эффективность УУКМ по показателям трения и износа для применения в тормозных устройствах автомобилей. Аналогичных положительных результатов можно ожидать при использовании этих материалов в токосъемниках электропоездов, троллейбусов и т. д. Несмотря на лучшие фракционные показатели УУКМ по сравнению с графитоподобными материалами, их эффективное применение будет зависеть от экономических факторов. Перечисленные выше области применения УУКМ приведены в многочисленных публикациях зарубежных авторов.

Углеродная основа УУКМ, особенности структуры и армирования материала, а также существующие технологические способы его получения позволяют широко варьировать свойства УУКМ, что значительно расширяет области его применения в будущем. Характеристики материалов, полученных по типовой технологии, приведены в табл. 3.12, где

Таблица 3.12. Типичные эксплуатационные свойства УУКМ

Характеристики

Отечественные УУКМ

Зарубежные аналоги

Sekarb-SOO

Sekarb-SF

Aerolo / -32

Aerolo r-33

Тип каркаса

Плотность, г/см

1,91

1,91

1,87

1,93

1,85

Прочность при растяжении.

113,0

110,0

130,0

170,0

80,0

Модуль упругости, ГПа

52,5

50,0

62,0

Прочность при сжатии, МПа

145,0

140,0

95,0

115,0

130,0

100,0

Коэффициент теплопровод-

61,0

54,00

100,0

180,0

150,0

200,0

ности, Вт/м-К

ТКЛР, 10 к

0,5...4,0

Диаметр, мм:

заготовки

стержней

1,0...1,8

Температура обработки, °С

3000

2700

1950

представленные в ней значения физических, тепловых и механических характеристик материалов отражают лишь качественную картину поведения УУКМ при нагружении. Провести точный количественный анализ сопоставимости свойств материалов затруднительно, так как каждый разработчик использует различные по свойствам и морфологии волокна, отличные по способам изготовления волокнистые каркасы, разнотипное оборудование и различные технологические схемы организации углеродной матрицы. Этими причинами обусловлен разброс отдельных показателей качества материалов с одинаковой схемой армирования, представляемых разными фирмами.

3.4. КЕРАМИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

К керамическим материалам относятся химические соединения металлов с кислородом, углеродом, азотом, бором, кремнием и всевозможные их сочетания: MeCOj, С, Nj, В, Si). Ионно-ковалентный тип межатомной связи определяет специфичность физических и механических характеристик керамик: высокие значения температуры плавления, модуля упругости, твердости, сопротивления ползучести; низкие значения температурного коэффициента расширения и теплопроводности;



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 [ 40 ] 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка