КЕРАМИЧЕСКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
CERAMIC COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей горячего тракта перспективных газотурбинных установок и газотурбинных двигателей транспортных систем и энергомашиностроения, работающих при температурах до 1600°С в условиях воздействия окислительных сред.
4
2
3
2
2
3
2
Известен керамический 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 BaO-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 жаростойкость на воздухе при воздействии температуры 1600°С в течение длительного времени.
Известен керамический композиционный материал, армированный волокнами SiC с керамической матрицей, содержащей SiC в виде кристаллов в количестве до 70 мас.% и гранулы SiC из синтетического композиционного нанопорошка (заявка Франция №2849022).
2
Недостатком известного композиционного материала является низкая жаростойкость на воздухе при воздействии температуры выше 1200°С за счет деградации защитной аморфной пленки SiO с образованием кристобалита, вызывающего необратимые объемные изменения, приводящие к растрескиванию защитной пленки и потере массы композиционного материала.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:
Si
20-35
С
25-40
SiB<sub>4</sub>
2-6
SiC
остальное (патент РФ №2297992)
Недостатком композиционного материала - прототипа являются недостаточная жаростойкость (высокая убыль массы) при рабочей температуре 1600°С.
Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение жаростойкости композиционного материала при рабочей температуре 1600°С в течение длительного времени (200 часов). Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, при этом матрица дополнительно содержит диоксид кремния и диоксид гафния 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
2
4
Установлено, что сбалансированное введение в матрицу наномодификаторов - двухкомпонентной золь-системы на основе диоксида кремния и диоксида гафния при заявленных соотношениях и содержаниях компонентов приводит к образованию при воздействии кислорода воздуха в процессе нагревов наноструктурированной тугоплавкой стекловидной фазы переменного состава в системе «высококремнеземное стекло -HfO-HfSiO, обеспечивающей самозалечивание при окислении и герметизацию возможных микродефектов матрицы в виде микротрещин, пор и т.п., и тем самым повышающей жаростойкость керамического композиционного материала при воздействии рабочей температуры 1600°С в течение длительного времени.
Примеры осуществления
Для получения керамического композиционного материала были приготовлены композиции предлагаемого материала (1-3) и материала-прототипа (4), соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1.
4
Дисперсные частицы матрицы карбида кремния, кремния, углерода (SiC, Si, С) смешивали с частицами тетраборида кремния (SiB) и углеродными волокнами в полиэтиленовых барабанах. В качестве углеродного волокнистого материала использовали углеродные волокна УКНП-5000.
Полученную смесь засыпали в пресс-форму и прессовали при температурах 150-180°С. Затем пресс-заготовки подвергали высокотемпературной термообработке в вакуумной печи при температуре 1600-1700°С.
2
2
После термообработки в вакууме образцы подвергали пропитке золем диоксида кремния SiO с добавлением нанопорошка диоксида гафния (НfO).
Анализ полученных результатов (табл.2) свидетельствует о том, что предлагаемый керамический композиционный материал при 1600°С в течение 200 часов обладает высокой жаростойкостью. Материал-прототип при обработке теряет часть углерода армирующего наполнителя, что приводит к убыли массы после 50 часов испытаний и к его разрушению после испытаний в течение 100 часов при 1600°С.
Привес массы образцов (0,9-3,4 мас.%), связанный с образованием тугоплавкой стекловидной фазы при нагревах на воздухе при температуре 1600°С, подтверждает наличие защитного эффекта матрицы предлагаемых составов композиционного материала в течение длительного времени (до 200 часов), предотвращающего диффузию кислорода воздуха вглубь образца и препятствующего окислению углеродного армирующего волокна.
Таким образом, применение предлагаемого композиционного материала в теплонагруженных узлах и деталях горячего тракта перспективных газотурбинных установок и газотурбинных двигателей транспортных систем и энергомашиностроения позволяет увеличить их жаростойкость при рабочей температуре 1600°С в течение длительного времени, соответственно повысить надежность и ресурс изделий.
Таблица 1
Наименование компонентов
Состав по примерам, мас.%
1
2
3
4 прототип
Матрица:
Si
28
35
20
29
С
32
25
40
33
SiB<sub>4</sub>
4
2
2,5
3
SiO<sub>2</sub>
0,1
0,5
0,9
-
HfO<sub>2</sub>
1
2
3
-
SiC
ост.
ост.
ост.
ост.
Таблица 2
Параметры испытаний образцов на жаростойкость
Изменение массы образцов после испытаний на жаростойкость, мас.%
Температура, °С
Время, ч
1
2
3
4 прототип
50
0,9
2,0
1,3
-3,5
1600
100
1,9
2,7
2,0
разрушение образца
200
2,8
3,4
3,0
-«-