Керамический композиционный материал


 


Владельцы патента RU 2530802:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)

Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении деталей и узлов неохлаждаемых конструкций нового поколения авиационных газотурбинных двигателей с повышенными характеристиками удельной мощности и топливной экономичности, работающих при температурах до 1750°С в условиях воздействия окислительных сред. Техническим результатом изобретения является повышение жаростойкости изделий. Керамический композиционный материал включает кремний, углерод, карбид кремния и оксидную систему ZrO2-HfO2-Y2O3 при следующем соотношении компонентов, мас. %: Si - 15-30; С - 20-40; оксидная система ZrO2-HfO2-Y2O3 - 3-15; SiC - остальное. Причем оксидная система ZrO2-HfO2-Y2O3 имеет химический состав, мас. %: ZrO2 - 55-80; HfO2 - 15-30; Y2O3 - 3-15. 2 табл.

 

Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении деталей и узлов неохлаждаемых конструкций нового поколения авиационных газотурбинных двигателей с повышенными характеристиками удельной мощности и топливной экономичности, работающих при температурах до 1750°C в условиях воздействия окислительных сред.

Известен керамический композиционный материал, который состоит из армирующего неорганического волокна и матрицы, включающей 40-95 масс.% фазы SiC и 5-60% 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 керамической матрицы составляет, масс.%: Si 30-80, С 15-69, O 0,005-25 (патент США №6331496, опубл. 18.12.2001). Предложенный композиционный материал обладает хорошей термостойкостью, окислительной стойкостью и механической прочностью при температурах до 1400°С и может быть использован для изготовления изделий для аэрокосмической отрасли.

К недостаткам данного композиционного материала следует отнести низкую жаростойкость при температурах свыше 1400°С.

Известен керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, которая включает следующие компоненты, масс.%: Si 20-35, С 25-40, SiB4 2-4, SiO2 0,1-0,9, HfO2 1-3, SiC - остальное (патент РФ №2392250, опубл. 20.06.2010). Керамический композиционный материал может быть использован при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей горячего тракта перспективных газотурбинных двигателей, работающих при температурах до 1600°С в условиях воздействия окислительных сред в течение длительного времени (до 200 часов).

Недостатком данного композиционного материала является низкая жаростойкость при температурах свыше 1600°С.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу следующего состава, масс.%: Si 20-35, С 25-40, SiO2 5,5-6,0, HfO2 5-8, SiC - остальное (патент РФ №2447039, опубл. 10.04.2012). Керамический композиционный материал может быть использован при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей двигателей перспективных газотурбинных установок и двигателей, работающих в условиях термоциклических нагрузок при температурах до 1650°С на воздухе и в продуктах сгорания топлива.

Недостатком керамического композиционного материала-прототипа является недостаточная жаростойкость (высокая убыль массы) на воздухе при воздействии температуры от 1650 до 1750°С в течение длительного времени.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание керамического композиционного материала, обладающего повышенной жаростойкостью при рабочих температурах до 1750°С в течение длительного времени (500 часов) в условиях воздействия окислительных сред. Технический результат изобретения состоит в повышении жаростойкости керамического композиционного материала.

Для достижения технического результата разработан керамический композиционный материал, включающий следующие компоненты, масс.%: Si 15-30, С 20-40, оксидную систему ZrO2-HfO2-Y2O3 3-15, SiC - остальное, причем оксидная система имеет следующий химический состав, масс.%: ZrO2 55-80, HfO2 15-30, Y2O3 - 3-15.

Установлено, что сбалансированное введение в матрицу оксидной системы ZrO2-HfO2-Y2O3 (представляющей собой твердый раствор) при заявленных соотношениях компонентов приводит к образованию (при воздействии высоких температур в присутствии кислорода в рабочей атмосфере) тугоплавкой аморфной фазы переменного состава в системе ZrO2-HfO2-Y2O3. Образование этой фазы обеспечивает самозалечивание и герметизацию возможных микродефектов матрицы, что предотвращает диффузию кислорода в объем материала и тем самым препятствует его окислению. Это способствует повышению жаростойкости керамического композиционного материала при воздействии высоких температур до 1750°С в течение длительного времени.

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 карбида кремния, кремния, углерода (SiC, Si, С) смешивали с порошком оксидной системы ZrO2-HfO2-Y2O3 в полиэтиленовых барабанах. Карбид кремния, кремний и углерод перед смешиванием предварительно измельчали на мельницах планетарного типа до получения частиц менее 25 мкм. Оксидную систему получали золь-гель методом - гидролизом растворов алкоксоацетилацетонатов циркония, гафния, иттрия с образованием геля и его последующей термообработкой. Соотношение компонентов в оксидной системе ZrO2-HfO2-Y2O3 составило, масс.%: ZrO2 - 70, HfO2 - 22, Y2O3 - 8. Порошок оксидной системы имел частицы размером 40-80 нм.

Полученную смесь засыпали в пресс-форму и прессовали при температурах 180-200°С. Затем полученные пресс-заготовки подвергали высокотемпературной термообработке в вакуумной печи при температуре 1650-1800°С.

Таблица 1
Наименование компонентов Состав по примерам, масс.%
1 2 3 4 (прототип)
Si 15 20 30 29
С 40 30 20 30
SiO2 - - - 5,8
HfO2 - - - 6,5
Оксидная система ZrO2-HfO2-Y2O3 3 7 15 -
SiC остальное остальное остальное остальное

Образцы керамического композиционного материала, изготовленные по композициям (1-3), испытывали на жаростойкость путем измерения массы образцов в процессе длительного нагрева при температуре 1750°С. Результаты исследований представлены в Таблице 2.

Таблица 2
Параметры испытаний образцов на жаростойкость Изменение массы образцов после испытаний на жаростойкость, масс.%
Температура, °С Время, ч 1 2 3 4 (прототип)
1750 50 1,7 2,1 1,9 -3,9
100 2,2 2,8 2,5 разрушение образца
200 2,3 2,9 2,6 разрушение образца
300 2,3 2,9 2,7 разрушение образца
400 2,2 2,9 2,7 разрушение образца
500 2,1 2,9 2,7 разрушение образца

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что предлагаемый керамический композиционный материал при 1750°С в течение 500 часов обладает высокой жаростойкостью. Материал-прототип при термообработке теряет часть массы за счет окисления его компонентов и удаления в виде газообразных продуктов окисления, что приводит к убыли массы после 50 часов испытаний и к его разрушению после испытаний в течение 100 часов при 1750°С.

Привес массы образцов (1,7-2,9%), связанный с образованием тугоплавкой аморфной фазы при нагревах на воздухе при температуре 1750°С, подтверждает наличие защитного эффекта матрицы предлагаемых составов композиционного материала в течение длительного времени (до 500 часов), предотвращающего диффузию кислорода воздуха вглубь образца и препятствующего окислению материала.

Таким образом, применение предлагаемого композиционного материала для изготовления деталей и узлов неохлаждаемых конструкций нового поколения авиационных газотурбинных двигателей позволяет увеличить их жаростойкость при рабочей температуре до 1750°С в условиях воздействия окислительных сред в течение длительного времени, соответственно повысить надежность и ресурс изделий.

1. Керамический композиционный материал, включающий кремний, углерод, карбид кремния, отличающийся тем, что дополнительно содержит оксидную систему ZrO2-HfO2-Y2O3 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Si - 15-30;
С - 20-40;
Оксидная система ZrO2-HfO2-Y2O3 - 3-15;
SiC - остальное,
причем оксидная система ZrO2-HfO2-Y2O3 имеет химический состав,
мас.%:
ZrO2 - 55-80;
HfO2 - 15-30;
Y2O3 - 3-15.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к получению материала для высокотемпературного применения на основе тугоплавких бескислородных и оксидных соединений, характеризующегося высокой прочностью, термической и окислительной стойкостью, стойкостью к термоудару при градиенте температуры до 2000 К в условиях воздействия высокоскоростного окислительного потока.

Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к получению композиционного материала для высокотемпературного применения на основе тугоплавких бескислородных и оксидных соединений.

Изобретение может быть использовано при получении конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, для химической, нефтехимической, химико-металлургической промышленности и авиатехники.

Изобретение может быть использовано в химической, нефтехимической и химико-металлургической отраслях промышленности, а также в авиатехнике для изготовления конструкционных материалов, подвергающихся воздействию агрессивных сред и механическим нагрузкам.

Изобретение может быть использовано в химической, нефтехимической и химико-металлургической отраслях промышленности, а также в авиатехнике для получения конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды.
Изобретение относится к нанотехнологиям и предназначено для получения высокопрочной трубчатой или комбинированной нити, пленки или ленты (разница только в ширине) нанотолщины из тройной структуры бор-углерод-кремний B-C-Si (насколько мне известно, оно не имеет названия, поэтому далее будем называть его, а точнее - наноизделия из него - «старброн»).
Изобретение относится к способу получения углеродсодержащих образцов, предназначенных для проведения экспресс-оценки качества графитированного наполнителя для изготовления силицированных изделий на его основе.

Изобретение относится к способу нанесения покрытия на деталь с выполненной из карбида кремния (SiC) поверхностью. .
Изобретение относится к производству керамических составов на основе карбосилицида титана, может быть использовано в машиностроительной и горнодобывающей промышленности, в инструментальном и ремонтном производствах для получения износостойких покрытий деталей узлов трения.

Изобретение относится к области производства композиционного материала на основе карбида кремния и сложного оксидного связующего, способного работать в агрессивных средах, а также в условиях ударно-динамических нагрузок, а именно в качестве материала для пар трения и бронезащитных изделий.

Изобретение относится к огнеупорным материалам, которые могут быть использованы в черной и цветной металлургии в качестве футеровки доменных, шахтных и других печей. Техническим результатом является повышение коррозионной стойкости и стойкости к абразивному и эрозионному износу. Огнеупорный конструкционный керамический материал, включающий карбид кремния и связующую фазу на основе сиалона, содержит карбид кремния, сиалон, нитрид кремния, оксинитрид кремния, оксид кремния, корунд и прочие примесные фазы при следующем соотношении фаз, мас.%: карбид кремния 60-95, сиалон до 25, нитрид кремния до 25, оксинитрид кремния до 10, оксид кремния до 3, корунд до 5 и прочие примесные фазы до 3 при их суммарном содержании. При этом карбид кремния представлен по крайней мере тремя фракциями, причем наиболее крупная фракция имеет размер зерен 2-3 мм. 3 табл.

Настоящее изобретение относится к области композитных конструкций, применяемых в качестве жаростойкого теплообменника или фильтра в летательных аппаратах гражданской авиации, авиакосмической и ракетной техники. Жаростойкая сотовая конструкция содержит сотоблок, заключённый в корпус, и состоит из карбида кремния и диспергированных в нем не более 14 мас.% частиц углерода. Сотоблок представляет собой множественное чередование сопряженных между собой плоских перфорированных пластин и гофрированных непроницаемых перегородок, причем образующая гофров каждой предыдущей непроницаемой перегородки перпендикулярна образующей гофров каждой последующей непроницаемой перегородки. Сотоблок расположен в корпусе так, что у одной из совокупностей непроницаемых гофрированных перегородок образующие гофров параллельны направлению ввода рабочей среды, а у другой совокупности - перпендикулярны этому направлению, при этом откидное днище выполнено глухим и сопрягается с корпусом перпендикулярно направлению ввода рабочей среды. Торец корпуса, параллельный этому направлению, снабжен крышками с патрубками для вывода отработанной среды. Проводка потока рабочей среды осуществляется через перфорированные пластины ячеистой структуры сотового наполнителя. Технический результат изобретения - повышение температуры эксплуатации и эффективности использования изделий. 4 ил.
Наверх