Керамический композиционный материал
Владельцы патента RU 2392250:
Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)
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. Техническим результатом изобретения является увеличение жаростойкости композиционного материала при рабочей температуре 1600°С в течение длительного времени (200 часов). Керамический композиционный материал содержит углеродные волокна и матрицу, включающую следующие компоненты, мас.%: Si 20-35, С 25-40, SiB4 2-4, SiO2 0,1-0,9, HfO2 1-3, SiC - остальное. 2 табл.
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.
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 ZrSiO4 или стеклокерамическую фазу составов BaO-MgO-Al2O3-SiO2 или SrO-Al2O3-SiO2. 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).
Недостатком известного композиционного материала является низкая жаростойкость на воздухе при воздействии температуры выше 1200°С за счет деградации защитной аморфной пленки SiO2 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 |
| SiB4 | 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 |
| SiB4 | 2-4 |
| SiO2 | 0,1-0,9 |
| HfO2 | 1-3 |
| SiC | остальное |
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 -HfO2-HfSiO4, 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.
Дисперсные частицы матрицы карбида кремния, кремния, углерода (SiC, Si, С) смешивали с частицами тетраборида кремния (SiB4) 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.
После термообработки в вакууме образцы подвергали пропитке золем диоксида кремния SiO2 с добавлением нанопорошка диоксида гафния (НfO2).
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 |
| SiB4 | 4 | 2 | 2,5 | 3 |
| SiO2 | 0,1 | 0,5 | 0,9 | - |
| HfO2 | 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 | -«- |
Керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, отличающийся тем, что матрица дополнительно содержит диоксид кремния и диоксид гафния при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:
| Si | 20-35 |
| С | 25-40 |
| SiB4 | 2-4 |
| SiO2 | 0,1-0,9 |
| НfO3 | 1-3 |
| SiC | остальное |
