Керамический композиционный материал

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. Предложенный керамический композиционный материал включает углеродные волокна и матрицу, полученную из композиции следующего химического состава, мас.%: Si 20-35, С 25-40, SiO₂ 5,5-6,0, НfО₂ 5-8, SiC - остальное. Технический результат изобретения - повышение надежности и ресурса службы изделий в условиях высоких термоциклических нагрузок при рабочей температуре до 1650°С. 3 табл.

 

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.

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 ZrSiO₄ или стеклокерамическую фазу составов ВаО-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 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
SiB4	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
SiB4	0,1-1,5
SiO2	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
SiB4	2-4
SiO2	0,1-0,9
HfO2	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
SiO2	5,5-6,0
HfO2	5-8
SiC	остальное

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 «SiO₂-стекло-HfO₂-HfSiO₄», 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.

После термообработки в вакууме образцы подвергали пропитке наномодификаторами на основе золь-гель прекурсоров (золем диоксида кремния SiO₂ с добавками нанодисперсного порошка диоксида гафния HfO₂) 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

Керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, диоксид кремния, диоксид гафния, карбид кремния, отличающийся тем, что исходная композиция матрицы имеет следующий химический состав, мас.%:

Si	20-35
С	25-40
SiO2	5,5-6,0
НfO	5-8
SiC	остальное