Некоторые закономерности формирования стеклокерамического композиционного материала

ЖАРОСТОЙКИЕ И ТУГОПЛАВКИЕ ПОКРЫТИЯ

УДК 678.8

С.С. Солнцев, Д.В. Гращенков, А.С. Наумова, С.Ст. Солнцев

НЕКОТОРЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Особое место среди перспективных высокотемпературных композитов занимают стеклокерамические композиционные материалы (СККМ). Преимущества композиционных материалов со стеклокерамической матрицей - низкая удельная масса, высокие температура эксплуатации, химическая инертность, коррозионная стойкость, сопротивление зарождению и росту трещин, прочность и износостойкость. Требования, предъявляемые к уровню свойств высокотемпературных СККМ, применяемых в авиастроении, позволяют выделить следующие направления в создании и исследовании СККМ:

- разработка новых (специальных) углеродных и карбид-кремниевых волокон;

- создание систем промежуточных наноразмерных покрытий, позволяющих управлять взаимодействием на границе раздела фаз СККМ;

- разработка систем объемной, поверхностной и локальной защиты армирующих волокон путем формирования матрицы СККМ.

В ВИАМ разрабатываются перспективные высокотемпературные СККМ на основе непрерывных армирующих волокон углерода и других со стекло- и ситаллизиру-ющимися матрицами. При получении опытных образцов СККМ использовали:

- бесщелочное высококремнеземное стекло (В2О3 - не более 9% по массе);

- стекло с содержанием

7-8% оксидов щелочноземельных металлов;

оксидов щелочных металлов до 6% и щелочноземельных металлов до 12%;

оксидов щелочных металлов более 6%.

В качестве волокнистого армирующего материала были использованы непрерывные углеродные волокна.

Указанные стекломатериалы матричной системы после синтеза были подвергнуты размолу на установке планетарного типа «Санд-1» в жидкой среде, после чего проведен их седиментационный анализ. Установлено, что чем выше содержание тонкодисперсной фракции в гидросуспензии матрицы, тем более тонкий, сплошной и равномерный слой «покрытия» формировался на армирующем волокне в заготовке композита.

Выявлено отрицательное влияние примесей соединений щелочных (составы 3 и 4) и щелочноземельных металлов (состав 2) на прочностные характеристики экспериментальных образцов (см. таблицу). Можно предположить, что в процессе высокотемпературного формования между углеродным волокном и агрессивными соединениями, входящими в состав стекломатрицы, происходит взаимодействие, нарушающее целостность волокнистого наполнителя, что приводит к разупрочнению материала.

В составах 2-4 наличие примесей щелочных и щелочноземельных металлов вызвало образование кристобалита в матрице композиционного материала уже на стадии его получения, а последующее высокотемпературное испытание повлекло увеличение роста кристаллов кристобалита и привело к разупрочнению и разрушению СККМ.

Влияние примесей в составе покрытий, формирующих матрицы СККМ, армированных углеродными волокнами, на механические свойства композита

Условный номер покрытия Содержание примесей оксидов металлов в составе покрытия, % (по массе) Оиз^ МПа ак, кДж/м2

1 Следы 350- -450 20-25

2 7-8% щелочноземельных 200- -250 8-10

3 До 6% щелочных+ до 12% щелочноземельных 65- -75 6

4 Более 5-7% щелочных 45- -60 2-3,5

Установлено, что структура и свойства определяются не только составом матрицы, но и технологическими параметрами высокотемпературного формообразования СККМ. Так, время выдержки гидросуспензии матричного состава перед изготовлением полуфабриката, температура и давление формирования стекломатрицы могут существенно повлиять на уровень механических характеристик СККМ.

При увеличении продолжительности «старения» гидросуспензии состава матрицы 1 (см. таблицу) с 2 до 55 ч происходит возрастание прочности композита, что можно объяснить выщелачиванием из объема стекломатериала матрицы в шликере легирующих компонентов, которые могут вступать в реакцию с углеродным волокном, улучшая адгезию на границе раздела фаз, увеличивая прочность получаемого СККМ. Однако в случае превышения концентрации этих компонентов на границе раздела фаз, они негативно воздействуют на углеродное волокно, нарушая его целостность, увеличивая адгезию, что приводит к снижению диссипации энергии и ведет к хрупкому характеру разрушения изделия. С увеличением температуры формования СККМ его прочность увеличивается, что объясняется повышением адгезии на границе раздела фаз вследствие более интенсивного образования пограничного слоя.

Накопленный опыт в материаловедении свидетельствует, что применение материалов, подобных композиту «Стекларм», для деталей авиационной и космической техники является задачей самого ближайшего будущего.

В настоящее время проводятся интенсивные исследования в области создания из стеклокерамического КМ теплонагруженных колец рабочих колес (рабочая температура до 800°С, разрушающее напряжение до 800 МПа) для перспективного компрессора высокого давления. Реализация результатов этих работ позволит существенно повысить тактико-технические характеристики летательных аппаратов.

УДК 678.026

С.С. Солнцев, В.А. Розененкова, Н.А. Миронова

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ТРУДНОДЕФОРМИРУЕМЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ

Проблемы безокислительного нагрева металла и применения технологических смазок до настоящего времени являются актуальными для специалистов различного профиля. Наряду с традиционным подходом к решению этих вопросов, на современном этапе уделяется внимание новым ресурсосберегающим технологиям, направленным на повышение качества, снижение отходов металла, трудо-, материало- и энергоемкости производства. Традиционно задачи безокислительного нагрева и использования технологических смазок решались изолированно друг от друга.