Проектирование в машиностроении  и электронике

Технология  производства  наноструктурных  металлокерамоматричных  и  интеркерамических

композиционных   материалов  многофункционального назначения

В.И.  Бабарыкин,

советн. ген. дир. по капит. строит.,

В.Е.Низовцев

нач. сектора 2065 отдел. 200, к.т.н.,

ЦИАМ им. П.И. Баранова,  г. Москва

This article provides an overview of production technologies of nanostructured metalceramic-matrix and inter-ceramic composite materials of multifunctional purposes. Physical and mechanical and special properties of the obtained materials and researches allow us to conclude the great prospects of application of nanostructured metalceramic-matrix and inter-ceramic composite materials based on carbides, nitrides, silicides and diborides of transition and refractory metals for aerospace objects.

 

В статье приводится краткий обзор технологий производства наноструктурных металлокерамоматричных и интеркерамических композиционных материалов многофункционального назначения. Физико-механические и специальные свойства полученных материалов и проведенные исследования позволяют сделать вывод о больших перспективах применения наноструктурированных металлокерамоматричных и интеркерамических композиционных материалов на основе карбидов, нитридов, силицидов и диборидов переходных и тугоплавких металлов для авиакосмических объектов.

Введение

Одним из перспективных направлений повышения технического уровня объектов авиакосмического назначения, в том числе авиационных двигателей  и их надежности, наработки на отказ, является применение перспективных наноструктурированных металлокерамоматричных и интеркерамических композиционных материалов широкого спектра применения.

Высокая твердость, термостойкость, а так­же благоприятное сочетание других физико-механических параметров композиционных материалов на основе карбидов, нитридов, силицидов и диборидов переходных и тугоплавких металлов позволяют минимизировать износ узлов трения, повысить на­дежность и ресурс деталей летательного аппарата и механизмов авиационного двигателя.

Научная концепция разработки таких материалов выражается в том, что в их матрицы внедрены частицы другого вещества нанодисперсного диапазона (от 4 нм до 1,0 мкм), активирующих образование интеркерамоматричных и металлокерамоматричных соединений. При механическом нагружении таких материалов основную нагрузку воспринимает материал матрицы, в которой диспергированы наночастицы другого вещества, практически нерастворимого в ней. В результате, создается структура эффективно сопротивляющаяся пластической деформации и термическим напряжениям.      

1. Композиционные материалы  и их применение в технике

Для получения высокотемпературных композиционных материалов с необходимыми свойствами нашим коллективом разработаны  инновационные технологии. Такие технологии позволяют управлять основными физико-механическими и специальными свойствами, основными из которых являются коэффициент трения, теплопроводность, поглощение ЭМИ в РЛ, ИК и акустическом спектрах, электропроводность и прочность создаваемых материалов.

1.1. Металлокерамоматричные композиционные материалы на основе карбида  кремния

В настоящее время с использованием разработанных технологий авторам удалось получить наноструктурированные дисперсно-упрочненные реакционно-спеченные карбиды кремния. Методами спектральных и микроскопических анализов установлено, что в состав таких карбидов входят:  первичный карбид кремния SiC, вторичный карбид кремния  SiC, а также вискеры карбида кремния SiC.

Такой карбид кремния изготавливается технологией жидкофазного реакционного спекания с предварительной газофазной термохимической активацией.  Технология позволяет получать материалы с содержанием карбидной фазы от 85 до 97% (по массе) и пористостью, приближающейся к нулю. При этом такая технология  позволяет получать карбиды кремния, легированные бором, углеродом, алюминием, соединениями переходных металлов. Это даёт возможность управлять в широких пределах структурой и фазовым составом композиционных материалов. Авторами отработаны технологии по изменению гранулометрического состава первичного и вторичного карбида кремния, содержанию углеродной составляющей в исходной шихте, пористости заготовки. Это и обуславливает высокую, характерную для разработанного композиционного материала, прочность межфазных границ, жесткость и монолитность структуры, высокую теплопроводность.

Кроме того, это обеспечивает необходимую термостойкость, высокое сопротивление термоудару, исключающее образование трещин.

Особенно широкое металлокерамоматричные композиционные материалы на основе карбида кремния найдут в различных деталях и узлах летательных аппаратов, работающих с повышенной температурой в условиях высокой нагрузки и повышенного износа.

В результате таких исследований уже сегодня авторами разработаны подшипники скольжения с низким коэффициентом трения и высоким ресурсом работы в высокотемпературных средах.

Эффективность разработанных антифрикционных узлов и конструкций подтверждена положительными результатами  испытаний проведенных в ИМАШ РАН и ОАО «Кузнецов» в 2009-2011г.

Износостойкость по сравнению с закаленными сталями увеличилась от 10 до 20 раз.

Стала возможна работа изделий при температурах до 1400 °С.

1.2. Металлокерамоматричный композиционный материал на основе карбонитрида титана(TiCN)

Разработанный наноструктурированный дисперсно-упрочненный металлокерамоматричный композиционный материал на основе карбонитрида титана не уступает карбиду вольфрама по механическим характеристикам и отличается более высокой рабочей температурой, микротвердостью, не имеет склонности к прихватыванию, обладает более высоким температурным коэффициентом расширения, меньшим коэффициентом трения, меньшей плотностью, а главное  -  дефицит сырья для его производства отсутствует. Покрытие из этого материала, нанесенное методом газо-детонационного или плазменного напыления обладает удовлетворительной термостойкостью и износостойкостью,  более высокой температурой окисления и сравнительно высокой теплопроводностью.

Таким образом, металлокерамоматричные композиционные материалы и покрытия на основе карбонитрида титана обладают более высокими эксплуатационными свойствами, чем материалы и покрытия такого же назначения на основе карбида вольфрама.

2. Технология производства наноструктурных металлокерамоматричных и  интеркерамических    композиционных материалов

многофункционального назначения

Как известно,  ресурс систем и агрегатов летательного аппарата, в том числе  авиационного двигателя, в значительной степени зависит от свойств конструкционных материа­лов, из которых изготавливаются их детали и узлы. При этом конструкционные материалы должны по максимуму отвечать следующим требованиям: повышенной теплопровод­ностью, минимальной плотностью, минимальными коэффициентами объемного и линейного расширения, высокой износоустойчивостью, твердостью и прочностью.

В целом, для решения проблем по применению но­вых наноструктурированных металлокерамоматричных и интеркерамических композиционных материалов в элементах авиационной техники, способствующих снижению массы при повышении ресурса, были решены следующие задачи:

·      разработаны технологии получения наноструктурированных металлокерамоматричных и интеркерамических композиционных материалов;

·      разработаны технологии нанесения износостойких высокотемпературных покрытий на основе карбидов, карбонитридов, боридов и их функциональных композиций;

·      разработаны композиции антифрикционных материалов с использованием углеродных нанотрубок и с использованием карбидо-кремниевых волокон;

·      изготовлены узлы трения редуктора привода вентилятора для перспективного авиационного двигателя, проведены испытания на базе ОАО «Кузнецов» с учетом требований последних авиационных правил по сертификации авиационной техники и получены положительные заключения.

·      изготовлены подшипники скольжения для экспериментального газотурбинного двигателя, проведены испытания на базе ФГУП «ЦИАМ» им. П.И. Баранова с учетом требований последних авиационных правил по сертификации авиационной техники, и получены положительные заключения.

·      в результате проведённых работ в ФГУП «ЦИАМ» им. П.И. Баранова создан редуктор привода вентилятора перспективного авиационного двигателя нового поколения.

В результате проведенных исследований предложена инновационная технология, позволяющая решать задачу управления рядом  физико-механических свойств поверхностных слоёв деталей конструкций посредством наносимого слоя покрытия таких, как: коэффициенты трения, твердость, износостойкость.

Становится возможным применение в качестве несущей основы подшипника скольжения  для деталей и узлов авиационных двигателей наноструктурированных металлокерамоматричных и интеркерамических композиционных материалов.

Коллектив авторов не останавливается на достигнутом и ведет активные работы по созданию материалов и технологий для высокотемпературных камер сгорания, соплового аппарата, лопаток и дисков турбины с возможностью работы при температурах до 2000 °С.

Литература

1.  Низовцев В.Е., Мыктыбеков Б., Климов Д.А., Халутин А.А., Суслин В.Н. Технический отчет «Разработка подшипников скольжения с антифрикционными покрытиями на основе металлополимеров, керамополимеров или композиционных материалов с использовавнием квазикристаллов», ФГУП «ЦИАМ» им. П.И. Баранова, Москва, 2010г., инв. №13912.

2.  Климов А.К., Климов Д.А., Крылов Е.А., Перекатов Ю.А. Статья в журнале «Автомобильная промышленность», №1 2003, стр. 27-30, «Композиционные материалы для двигателестроения».

3.  Косолапова Т.Я., Федорус В.Б., Кузьма В.Б. «Неорганические материалы», 1966г., т.2, №8, с. 1516-1520.

4.  Гранов В.И., Глазков А.В. «Неорганические материалы», 1975г., т.11,  №2, с. 226-229.

5.  Климов Д.А., Шкарупа И.Л., Плясункова Л.А.,  Шкарупа М.И. «Исследование свойств материалов на основе карбида кремния», «Новые огнеупоры», №6 , июнь 2009 г.,

6.  Гнесин  Г.Г. «Карбидокремниевые материалы», Москва, «Металлургия», 1977 г.