научная статья по теме МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПОКРЫТИЯ Д5 МАИ И М1 МАИ Химия

Текст научной статьи на тему «МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПОКРЫТИЯ Д5 МАИ И М1 МАИ»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2009, том 28, № 5, с. 64-70

УДК 669.017.3:620.18

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПОКРЫТИЯ Д5 МАИ И М1 МАИ*

© 2009 г. В. С. Терентьева1, Б. Е. Жестков2

Московский авиационный институт (технический университет) 2Централъный аэродинамический институт имени Н Е. Жуковского, Жуковский

E-mail: k903ter@mai.ru Поступила в редакцию 19.08.2008

Рассматриваются вопросы теории и практики создания надежных защитных покрытий, наносимых на теплонапряженные элементы конструкций гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА), работающие в высокоэнтальпийных кислородсодержащих газовых потоках. Выявлены основные источники разрушения покрытий в этих условиях и критерии их оценки. Опасность окисления материала основы под покрытием связана в первую очередь с наличием открытых пор и трещин в покрытии. Предложена новая физико-химическая модель гетерофазного покрытия. На ее основе создан ряд материалов для формирования из них наслоенных покрытий, наносимых на тугоплавкие сплавы и композиционные материалы C/C, C/SiC, SiC/SiC. Покрытия способны обеспечить эффективную защиту от высокотемпературной газовой коррозии и эрозии в исследованном широком температурном диапазоне - от 300 до 2100 K. Наносимый микрокомпозиционный материал самоорганизуется при высокотемпературном воздействии в многослойное многофункциональное покрытие с низкими значениями каталитической активности Kw ~ 3 м/с и достаточно высокими значениями из-лучательной способности е ~ 0.7-0.8. Покрытие представляет собой многослойную наноструктуру с толщиной отдельных слоев 10-1000 нм. Обеспечивается быстрое самозалечивание микро- и макродефектов в материале и в покрытии, эффективное образование оксидной пленки на поверхности. Приводятся результаты испытаний покрытий на образцах из сплавов на основе ниобия и углеродных материалов в условиях, имитирующих вход аппарата в плотные слои атмосферы.

ВВЕДЕНИЕ

Возможности гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) определяются в первую очередь имеющимися конструкционными материалами. В настоящее время теплонапряженные элементы ГЛА выполняются из углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ). Крепеж изготавливается также из УУКМ или из жаропрочных сплавов. Для защиты УУКМ от окисления используется силицирование. Однако при использовании на ГЛА этого зачастую оказывается недостаточно. В сильной ударной волне перед ГЛА воздух подвергается диссоциации, и в обтекающем аппарат диссоциированном потоке имеет место значительная эрозия УУКМ при температурах материала 1600-1900 К. Опасность окисления материала связана в первую очередь с наличием открытых пор и микротрещин, а также достаточно высоким парциальным давлением окислителя. В связи с этим целесообразно использовать и объемную (силицирование), и поверхностную (покрытие) защиту УУКМ.

* Статьи, отмеченные звездочкой, были представлены на XXXII Академических чтениях по космонавтике. Москва, январь, 2008 г.

В качестве высокотемпературных антиокислительных покрытий используются различные композиции на основе тугоплавких соединений (силицидов, карбидов, боридов, оксидов) и различных добавок в виде тугоплавких силикатов и стекол, чаще всего боросиликатных. Температура эксплуатации этих покрытий не превышает 1800 К. Кроме того, известные покрытия не обеспечивают защиту острых кромок, эффективное залечивание дефектов, высокую антиэрозионную способность в экстремальных условиях эксплуатации. Недостаточная защита материала приводит к катастрофическому росту теплового потока и разрушению конструкции. Оценочные расчеты показали, что при диффузионном подводе кислорода через поры дополнительное выделение тепла на поверхности составляет не менее 1-4% для корпуса ГЛА, 3-25% для камер сгорания ГПВРД и до 100% в окрестности острых кромок при радиусе затупления г ~ 0.5 мм. Анализ взаимодействия защищенной покрытием поверхности с набегающим газовым потоком [1] и оценки баланса подведенного тепла [2] показывают, что разрушение покрытий связано в основном с высокими значениями теплового потока и продольного градиента давления. Последний пропорционален величине т ~ (pdp/dx)0.5. Значения ко-

эффициента тепломассообмена а/Ср достигают 0.4-1.2 кг/(м2 • с) на плоскости и до 6 кг/(м2 • с) на кромках. Параметр т имеет на кромках значения 10-15 МПа. В окрестности острых кромок и областях интерференции скачков уплотнения величины рассматриваемых характеристик возрастают по сравнению со значениями для плоскости в 515 раз для а/Ср и в 15-30 раз для т. На моделях из ниобиевых сплавов с диффузионными и плазменными силицидными покрытиями показано, что при а/Ср > 0.4 для плоской поверхности и а/Ср > 0.8 для острых кромок в результате разрушения покрытий происходит локальное возгорание с переходом к режиму самоподдерживающегося горения всей конструкции. Наличие технологических и эксплуатационных дефектов в виде пор, раковин, трещин усугубляет вероятность разрушения, сдвигает его начало в область еще меньших значений коэффициентов теплообмена. Так, для плазменных покрытий на ниобиевых сплавах с пористостью выше 10% при а/Ср > 0.2 всегда имеет место их разрушение, сопровождающееся возгоранием конструкции и переходом к самоподдерживающемуся горению [2]. В углерод-углеродных материалах резко ускоряются процессы окисления, приводящие к образованию летучих продуктов и последующему разрушению конструктивного элемента.

Достаточно эффективных защитных покрытий, наносимых на УУКМ, известно мало. Имеется покрытие на УУКМ "Гравимол", использовавшееся на аппарате "Буран" и работоспособное до температур 1900 К. Перспективным является покрытие ЭВУ-2 [3], но оно не наносится на кромки и имеет недостаточную адгезию. Рассматриваемые в настоящей работе высокотемпературные защитные покрытия, созданные на базе новой физико-химической модели синергетического типа, позволяют решить проблемы защиты поверхности в достаточно широком диапазоне условий работы теплонагруженных элементов ГЛА при температурах конструкции от 300 до 2100 К. Наносимый микрокомпозиционный материал самоорганизуется при высокотемпературном воздействии в многослойное многофункциональное покрытие с низкими значениями каталитической активности Кц, ~ 3 м/с и достаточно высокими значениями излучательной способности £ ~ 0.7-0.8. В то же время обеспечиваются быстрое самозалечивание микро- и макродефектов в покрытии и эффективное образование оксидной пленки на поверхности [4, 5]. Приводятся некоторые результаты испытаний покрытий на образцах из сплавов на основе ниобия и углеродных материалов в условиях, имитирующих вход аппарата в плотные слои атмосферы.

О

11

О9 ТО2 ТО2 ТО2

Рис. 1. Схематическая модель многофункционального высокотемпературного покрытия: 1 - главный слой; 2 - оксидная зона; 3 - легированная зона защищаемого материала; 4-7 - функциональные слои: 4 -некаталитический, 5 - переизлучающий, 6 - антиэрозионный, 7 - барьерный; 8-10 - структурные составляющие: 8, 10 - армирующие; 9 - вязкая составляющая; 11 - залечивание трещины.

МОДЕЛЬ ПОКРЫТИИ, НАНОСИМЫХ НА ЭЛЕМЕНТЫ ИЗ УУКМ И ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ

При разработке защитных покрытий должны быть удовлетворены следующие требования: одновременное обеспечение жаростойкости, высокая твердость, эрозионная стойкость, высокие значения излучательной способности, низкие величины каталитической активности. Недостатками УУКМ с позиций нанесения на них покрытий являются:

• окисление с образованием газообразных продуктов;

• пористость, причем открытая пористость составляет до 10-15%;

• нестабильность структуры;

• большая анизотропия свойств.

С учетом этих особенностей была трансформирована, применительно к защите УУКМ, разработанная для тугоплавких сплавов концептуальная модель противоокислительной защиты, включающая в себя многоуровневую систему защиты. Для реализации изложенного подхода были использованы физико-химические принципы создания жаростойких покрытий силицидного типа, наносимых на ниобиевые сплавы, воплощенные в предлагаемую модель защитного покрытия жаропрочных материалов, в том числе углерод-

Рис. 2. Строение основного слоя покрытия (а), поверхности оксидного слоя (б) и залеченная трещина (в) в оксидной пленке на ниобиевом сплаве с покрытием системы 81-Т1-Мо-В после окисления на воздухе при 1573 К в течение 100 ч. Увеличение: 1000 (а), 1500 (•), 400 (в).

ных. Схема такого покрытия представлена на рис. 1.

Покрытие состоит из ряда функциональных зон (слоев). Основным слоем, ответственным за эффект самозалечивания и защитные функции, служит гетерофазный слой (зона 1), представляющий собой тугоплавкий каркас 8 (тугоплавкие силициды), заполненный вязкой, хорошо смачивающей каркас относительно легкоплавкой фазой 9 (кремнезем, силициды, кремний). Тонкий поверхностный слой кремнезема (зона 4) обеспечивает низкую каталитическую активность по отношению к экзотермическим реакциям, а также газо- и влагонепроницаемость. Он формируется при взаимодействии основного слоя покрытия с окружающей воздушной средой. Под этим слоем находится слой, определяющий излуча-тельные свойства (зона 5). Толщина этого слоя составляет нескольких длин волн свободного пробега излучения. Для уменьшения диффузионных процессов между покрытием и защищаемым материалом, а также для компенсации температурных напряжений создается еще один, или несколько барьерных слоев, которые на схеме обозначены как зона 7. Покрытие формируется в одну стадию. Общая толщина покрытия (100 мкм) играет важную роль в формировании и функционировании покрытия

В разработанном покрытии при рабочих температурах (1600-2100 К) квазижидкая эвтектика обеспечивает быстрое самозалечивание дефектов в материале и на поверхности, а каркасная структура основного слоя препятствует эрозионному уносу образующегося расплава. Гетерофазная структура обеспечивает согласование термических расширений материала и покрытия. Покрытие не отслаивается, не скалывается, удерживается на тонких кромках и может быть нанесено на разные по природе материалы.

Создание тонких пленок (порядка 10 нм) БЮ2, 8Ю2-Б203 на поверхности позволяет в 2-3 раза снизить тепловой поток и на 300-40

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком