Звіт про науково-дослідну роботу: „ Розробка складів і технологій одержання конструкційної, ультра - високотемпературної кераміки на основі бориду цирконію з підвищеними значеннями високотемпературної міцності, ерозійної стійкості і стійкості до окислення”

Abstract

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.