КЕРАМИЧЕСКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
CERAMIC COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей перспективных газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, транспортных и энергетических систем, работающих в условиях высоких термоциклических нагрузок при температурах до 1650°С на воздухе и в продуктах сгорания топлива.
4
2
3
2
2
3
2
Известен композиционный материал, который состоит из армирующего неорганического волокна и матрицы, включающей 40-95 мас.% фазы SiC и 5-60 мас.% оксидной фазы. Оксидная фаза может представлять собой ZrSiO или стеклокерамическую фазу составов ВаО-MgO-AlO-SiO или SrO-AlO-SiO. При этом средний элементный состав фазы SiC составляет, мас.%: 30-80 Si, 15-69 С, 0,005-20 О или 30-80 Si, 10-65 С, 0,005-25 О (патент США №6331496).
Недостатком указанного композиционного материала является низкая термостойкость (стойкость к циклическим нагревам) при температуре 1650°С.
Известен керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу следующего состава, мас.%:
Si
20-35
С
25-40
SiB<sub>4</sub>
2-6
SiC
остальное (патент РФ №2297992)
Керамический композиционный материал может быть использован при изготовлении узлов и деталей горячего тракта газотурбинных двигателей, применяющихся в авиационной технике и машиностроении для эксплуатации при температурах не выше 1500°С.
Известен также керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу следующего химического состава, мас.%:
Si
20-35
С
25-40
SiB<sub>4</sub>
0,1-1,5
SiO<sub>2</sub>
1-5
SiC
остальное (патент РФ №2352543)
Известный композиционный материал может быть использован при изготовлении деталей, работающих в условиях воздействия окислительных сред при температурах до 1550°С.
К недостаткам этих материалов следует отнести низкую термостойкость при температурах до 1650°С.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, диоксид кремния, диоксид гафния и карбид кремния при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:
Si
20-35
С
25-40
SiB<sub>4</sub>
2-4
SiO<sub>2</sub>
0,1-0,9
HfO<sub>2</sub>
1-3
SiC
остальное (патент РФ №2392250)
Недостатком композиционного материала - прототипа является недостаточная термостойкость при температуре до 1650°С.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание керамического композиционного материала, обладающего повышенной термостойкостью в условиях высоких термоциклических нагрузок при рабочей температуре до 1650°С.
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, диоксид кремния, диоксид гафния, карбид кремния, при этом исходная композиция матрицы имеет следующий химический состав, мас.%:
Si
20-35
С
25-40
SiO<sub>2</sub>
5,5-6,0
HfO<sub>2</sub>
5-8
SiC
остальное
2
2
4
Установлено, что изменение содержания диоксида кремния и диоксида гафния при заявленных соотношениях и содержаниях других компонентов в матрице позволяет повысить термостойкость керамического композиционного материала за счет образования наноструктурированной тугоплавкой стекловидной фазы переменного состава в системе «SiO-стекло-HfO-HfSiO», способной к релаксации термоупругих напряжений, обеспечивающей самозалечивание и герметизацию возможных технологических и эксплуатационных микродефектов за счет допирования наномодификаторами на основе золь-гель прекурсоров, предотвращая диффузию кислорода в объем материала и препятствуя окислению углеродного армирующего волокна, при воздействии высоких термоциклических нагрузок на воздухе и в продуктах сгорания топлива при рабочей температуре до 1650°С.
Примеры осуществления
Для получения композиционного материала были приготовлены композиции предлагаемого материала (1-3) и материала-прототипа (4), соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1.
Дисперсные частицы матрицы карбида кремния, кремния, углерода (SiC, Si, С) смешивали с углеродным волокном в полиэтиленовых барабанах. В качестве углеродного волокнистого материала использовали углеродные волокна УКНП-5000.
Количество углеродного волокна составляло 10-20 мас.%.
Карбид кремния, кремний и углерод перед смешиванием предварительно измельчали на мельницах планетарного типа до получения частиц размером менее 40 мкм.
Порошок диоксида гафния имел частицы размером 40-60 нм.
В качестве прекурсора использовали промышленно-выпускаемый коллоидный раствор двуокиси кремния с содержанием твердой фазы 26 мас.%.
Полученную смесь засыпали в пресс-форму и прессовали при температурах 180-200°С. Затем пресс-заготовки подвергали высокотемпературной термообработке в вакуумной печи при температуре 1650-1800°С.
2
2
После термообработки в вакууме образцы подвергали пропитке наномодификаторами на основе золь-гель прекурсоров (золем диоксида кремния SiO с добавками нанодисперсного порошка диоксида гафния HfO) с промежуточными сушками на воздухе.
Образцы керамического композиционного материала, изготовленные по композициям (1-3), испытывали на термостойкость при температуре 1650°С в течение 5000 циклов по 1 мин каждый по режиму 800↔1650°С и в течение 100 циклов по 10 мин каждый по режиму 1650↔20°С, охлаждение на воздухе. Материал - прототип испытывали на термостойкость при температуре 1600°С. Результаты исследований представлены в таблице 2 и 3.
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что при высокотемпературных термоциклических нагревах термостойкость предлагаемого композиционного материала в 1,6 раза выше по сравнению с материалом - прототипом, который теряет часть углерода армирующего наполнителя, что приводит к его разрушению после испытаний при 1600°С соответственно после 3100 (табл.2) и 60 (табл.3) циклов.
Таким образом, применение предлагаемого композиционного материала с повышенной термостойкостью при изготовлении теплонагруженных деталей перспективных газотурбинных установок, в том числе внутренней поверхности камеры сгорания ГТД, других функциональных материалов обеспечивает их работоспособность в условиях высоких термоциклических нагрузок при температурах до 1650°С в агрессивных средах в течение длительного времени и, соответственно, позволяет повысить надежность и ресурс изделий.
Таблица 2
№ п/п
Параметры испытаний образцов
Температура испытания, °С
Термостойкость 800°С↔1650°С
Количество циклов, 1ц-1 мин
Внешний вид
1
1650
5000
Дефектов нет
2
1650
5050
Дефектов нет
3
1650
5100
Дефектов нет
Прототип
1600
3100
Разрушение образца
Таблица 3
№ п/п
Параметры испытаний образцов
Температура испытания, °С
Термостойкость 1650°С↔20°С,
охлаждение на воздухе
Количество циклов, 1ц-10 мин
Внешний вид
1
1650
100
Дефектов нет
2
1650
100
Дефектов нет
3
1650
101
Дефектов нет
Прототип
1600
60
Разрушение образца