Высокотемпературные теплозащитные, керамические и металлокерамические композиционные материалы для авиационной техники нового поколения

Введение

Одним из ключевых направлений деятель­ности ФГУП «ВИАМ» является разработка высокотемпературных теплозащитных, кера­мических и металлокерамических композиционных материалов для перспективных из­делий авиационной и ракетной техники [1, 2]. Наиболее ярким примером служит создание многоразовой внешней плиточной теплоза­щиты орбитального корабля «Буран» (СССР) [2]. Рассматриваемые в обзоре теплозащитные, керамические и металлокерамические компо­зиционные материалы позволяют обеспечить повышение рабочих температур элементов конструкции летательных аппаратов при од­новременном повышении эксплуатационных нагрузок [3].

Металлокерамические композиционные материалы (МКМ) имеют ряд важных преиму­ществ, таких как высокие жесткость, проч­ность, трещиностойкость, износостойкость, высокие температуры эксплуатации. Сре­ди них на первом месте по объему примене­ния находятся композиционные материалы на основе алюминиевых и титановых матриц, армированных частицами и волокнами [3]. За рубежом подобные материалы активно вне­дряются в перспективные образцы техники. Так, волокнистые МКМ на основе титановых и интерметаллидных титановых сплавов, ар­мированные волокнами, применяют в высо- конагруженных элементах конструкций: тяги, рычаги, сосуды высокого давления, кромки, лопатки компрессоров низкого и высокого дав­ления. Низконаполненные дисперсно-упроч­ненные МКМ на основе алюминия исполь­зуют в элементах силового набора, обшивках топливного бака, гидравлических системах. Высоконаполненные МКМ с алюминиевой матрицей нашли применение в силовой элек­тронике (IGBT-модули, системы управления электрическими приводами, импульсные ис­точники питания и др.).

В теплонагруженных конструкциях, ис­пытывающих механические напряжения, тре­буется применение материалов на основе жа­ропрочных матриц. К наиболее перспективным материалам этого класса можно отнести компо­зиты на основе молибдена, ниобия и никеля [4-8], для улучшения эксплуатационных харак­теристик которых применяют технологии леги­рования и упрочнения дисперсными частицами и керамическими волокнами. Изделия, изго­товленные из металлических композиционных материалов на основе Мо, Nb, Ni, могут иметь рабочую температуру от 1200 до 1600 °С.

МКМ на основе никелевых сплавов с вы­соким наполнением являются перспективны­ми для триботехнического применения в тя- желонагруженных узлах трения, работающих в условиях высоких температур с ограничен­ной подачей смазки [10]. В качестве керами­ческой составляющей применяются карбиды, нитриды, карбонитриды, бориды, силициды, оксиды, интерметаллиды и более сложные керамоподобные соединения, а также их комби­нации. Дополнительно в состав могут входить вещества из класса «твердых смазок» (графит, дисульфид молибдена, гексагональный нит­рид бора и др.) и легкоплавкие металлы, вы­полняющие роль гидродинамических смазок в тонких слоях. В парах трения-скольжения, выполненных из высоконаполненных МКМ, удается получить низкие значения коэффици­ента трения и малую величину износа.

В целях изготовления наиболее теплона­груженных элементов корпуса, деталей горяче­го тракта двигателей и элементов конструкций радиотехнического назначения с рабочими тем­пературами более 1500 °С для авиационной тех­ники нового поколения необходимо применение конструкционных керамических и стеклокера­мических композиционных материалов с ма­лым весом, высокими значениями прочности, твердости, трещиностойкости, коррозионной и эрозионной стойкости в совокупности с дли­тельным жизненным циклом в условиях высо­котемпературного окисления [11, 12].

Еще большее повышение эксплуатацион­ных температур обеспечивают теплозащитные материалы, призванные защищать конструк­ционные элементы от внешнего и внутренне­го теплового воздействия в процессе эксплу­атации летательного аппарата, одновременно обеспечивая дополнительную защиту от фак­торов окисления.

История ВИАМ в области разработки теплозащиты космических аппаратов насчиты­вает десятилетия. В ВИАМ создана экранно­вакуумная теплоизоляция спускаемого аппа­рата корабля «Восток» и всех последующих космических аппаратов, включая орбиталь­ный корабль «Буран» [1]. Тепловая защита является в некоторой степени решающим зве­ном в работоспособности космических лета­тельных аппаратов, в том числе возвращае­мых, поскольку именно теплозащита отвечает за сохранность и нормальное функционирова­ние как отдельных узлов и конструкций, так и аппарата в целом.

Сегодня ФГУП «ВИАМ» разрабатывает материалы для авиационной и ракетно-косми­ческой техники, базируясь на новом подходе с учетом классических моделей.

Объекты и методы исследования

Металлокерамические композиционные ма­териалы получали как с использованием ме­тодов порошковой металлургии, так и с по­мощью жидкофазных технологий (пропитка, инфильтрация) в сочетании с методом искро­вого плазменного спекания. Керамические композиционные материалы получали метода­ми горячего прессования, искрового плазмен­ного спекания и золь-гель методом. Теплоза­щитные материалы изготавливали по золь-гель технологии.

Исследование механических характери­стик проводили на разрывных машинах Instron 5965, Instron 5882, Zwik Z010 в соответствии со стандартизованными методиками и ГОСТ.

Исследование термического коэффи­циента линейного расширения проводили на высокотемпературном дилатометре DL-1500 H/HR в интервале температур от 20 до 1400 °С, коэффициент теплопроводности определяли динамическим методом лазерной вспышки на измерителе теплофизических параметров твердых тел LFA 427 в диапазоне температур от 20 до 1900 °С с последующей аппроксима­цией до более высоких температур.

Для исследования микроструктуры мате­риалов применяли метод растровой электрон­ной микроскопии с применением микроскопов S-405, Verios 460 XHR, Zeiss EVO MA 10.

1. Цифровое моделирование при создании металлических и керамических композиционных материалов и теплозащиты

Многоуровневое моделирование матери­ала на нано-, микро-, мезо- и макроуровнях, схема которого отражена на рисунке 1, обеспе­чивает реализацию принципа неразрывности «материал - технология - конструкция».

Фундаментальные исследования начина­ются с атомно-молекулярного конструирова­ния и квантово-механических расчетов. Затем осуществляется последовательный переход на наноуровень изучения межмолекулярных взаимодействий. Исследования на микроуров­не основаны на расчете параметров фазовой стабильности и научном поиске новых методов синтеза сложных комплексных химических соединений. Мезоуровень является началом прикладных исследований, переходя на макро­уровень к материалам и технологиям нового поколения.

Сегодня ВИАМ активно применяет циф­ровые технологии для моделирования гетеро­генных металлокерамических сред. Разработа­но 9 многофакторных моделей для 6 классов армированных, дисперсноупрочненных и во­локнистых КМ и теплозащиты.

2. Металлические композиционные материалы на основе легких сплавов

ФГУП «ВИАМ» реализует разработку и выпуск металлокерамических композицион­ных материалов на основе алюминия и титана в виде дисперсноупрочненных низко- и высоконаполненных КМ.

В рамках совместных работ с Российским научным фондом проведены исследования влияния состава алюминиевых сплавов серий 6ХХХ (6061, 6063, 6092), 2ХХХ (2024, 2009), 7ХХХ (7075, 7050) и процентного содержания наполнителя на физико-механические свой­ства композиционных материалов. Показано, что максимальными механическими характе­ристиками обладают алюмоматричные компо­зиционные материалы с алюминиевыми спла­вами серии 7ХХХ (г ≈ 3,0 г/см^[1], S²⁰_В  ≈ 700 МПа, Е²⁰ ≈ 115 ГПа, s²⁰_сж ≈ 705 МПа).

Проведены исследования и разработана технология изготовления высоконаполненно- го МКМ системы Al-SiC и изделий из него. Композиционный материал имеет следующие свойства: ρ = 2,9÷3,0 г/см³, α = 6,9÷7,2 К^-1 (в диапазоне температур 20+100 °С), λ = 130÷150 Вт/мК (в диапазоне от 20 до 100 °С). Разработана установка вакуумно-компрессионной пропитки пористых керамических заготовок матричным сплавом, создано произ­водство теплоотводящих оснований из КМ Al-SiC на базе ПАО «Электровыпрямитель» мощностью до 10 000 шт./г.

Проведены комплексные исследова­ния по созданию волокнистых композицион­ных материалов на основе титановых матриц для высоконагруженных конструкций лета­тельных аппаратов. Установлены закономер­ности между механическими характеристи­ками композиционных материалов, составом матрицы на основе титана и объемной долей наполнителя.

В результате разработан материал на основе интерметаллида титана, превосхо­дящий импортные аналоги по физико-меха­ническим показателям: ρ ≈ 4,5 г/см³, σ²⁰_Β ≈ 1680 МПа, Е²⁰ ≈ 200 ГПа, σ ²⁰_сж ≈ 2300 МПа.

3. Металлические высокотемпературные композиционные материалы

Разработками в области создания изделий из высокотемпературных металлических композиционных материалов на основе Мо, Nb, Ni, Fe матриц, упрочненных дисперсны­ми частицами, занимаются активно во многих странах мира. Этот интерес связан с чрезвы­чайно высокой структурной стабильностью, высокими значениями прочностных характеристик, химической инертностью и коррозионной стойкостью дисперсно-упрочненных металлических композиционных материалов на основе тугоплавких металлов.

Во ФГУП «ВИАМ» разработаны высо­котемпературные металлические композици­онные материалы на основе матриц из желе­за, никеля, молибдена, ниобия и технологии упрочнения МКМ дисперсными частицами и керамическими волокнами. Установлены зависимости между составом и количеством упрочняющей фазы в МКМ на основе Мо, Nb, Ni, Fe матриц и физико-механическими и тепловыми свойствами готового материала. Армирование тугоплавких матриц керами­ческими волокнами позволило разработать комплекс композиционных материалов, от­личающихся на 20÷30 % меньшей удельной массой, на 10÷20 % большей рабочей темпера­турой, в 1,5÷2,0 раза более высокими механи­ческими характеристиками и большей устой­чивостью к тепловому старению по сравнению с материалом матрицы.

Композиционные материалы на основе ту­гоплавких матриц предназначены для примене­ния в теплонагруженных элементах конструк­ции, работающих в условиях высоких механических напряжений. Применение раз­работанных металлокерамических компози­ционных материалов обеспечит работоспособ­ность элементов конструкции перспективных ЛА при температурах ≥1400 °С.

Разработаны высоконаполненные MKM триботехнического назначения, которые по триботехническим свойствам не уступа­ют керамическим и имеют перед ними ряд преимуществ. Благодаря наличию металличе­ской связки металлокерамические материалы устойчивы к вибрации и ударам. Подбором трущихся контртел из различных по составу металлокерамических материалов можно до­биться низкого коэффициента трения и высо­кой износостойкости.

4. Керамические/стеклокерамические композиционные материалы и антиокислительные покрытия

ФГУП «ВИАМ» активно занимается раз­работкой высокотемпературных керамиче­ских и стеклокерамических композиционных материалов (ККМ и СККМ соответственно), а также технологий изготовления элементов конструкций летательных аппаратов из них с применением уникальных технологий.

Для консолидации порошков при по­лучении широкого спектра материалов (вы­сокотемпературных, композиционных нано­структурных, градиентных и многих других) ФГУП «ВИАМ» активно использует инно­вационную технологию FAST/SPS с комби­нированным (гибридным) методом нагрева, включающим в себя искровое плазменное спе­кание и индукционный нагрев. Применение данной технологии позволило разработать ряд керамических композиционных материалов на основе тугоплавких соединений редких и редкоземельных металлов с равномерной мелкокристаллической структурой, прочно­стью при изгибе до 450 МПа и рабочими тем­пературами ≥1700 °С. Микроструктура ККМ, полученного гибридным методом FAST/SPS, представлена на рисунке 2.

Во ФГУП «ВИАМ» ведутся работы, направленные на разработку золь-гель тех­нологий изготовления керамических и стек­локерамических композиционных материа­лов авиационного назначения. Проведение систематических исследований дало возмож­ность увеличить температуры эксплуатации стеклокерамических композитов с 500÷700 до 1500 °С. Были разработаны композици­онные материалы радиотехнического назна­чения на основе бесщелочной алюмосили- катной стеклокерамики, характеризующиеся уникальным сочетанием диэлектрических и термических свойств. Увеличение трещиностойкости и термостойкости в сочетании со снижением температуры синтеза при сохра­нении уровня радиотехнических характе­ристик стеклокерамических композицион­ных материалов обеспечит превосходство над лучшими отечественными и зарубежны­ми аналогами, повысит конкурентоспособ­ность отечественной продукции на зарубеж­ном и российском рынках.

Проведены исследования и разработана технология изготовления керамических эмитте­ров на основе гексаборида лантана, предназна­ченных для бездефектной электронно-лучевой сварки крупногабаритных сложнопрофильных деталей из жаропрочных, высокопрочных, кор­розионностойких сталей, титановых и других сплавов. За счет достижения высокой плот­ности и чистоты поверхности, а также обес­печения равномерной микроструктуры эмит­теры обеспечивают стабильный ток эмиссии на уровне ≥500 мА. В настоящее время во ФГУП «ВИАМ» освоено опытно-промыш­ленное производство керамических эмиттеров мощностью 1500^2000 шт./год.

С применением метода горячего прессо­вания во ФГУП «ВИАМ» разработана техноло­гия получения керамического композиционно­го материала марки ВМК-17 с повышенной термостойкостью до 1700 °С и инертностью к воздействию расплавов металлов, а также технология изготовления сопел из него, ис­пользуемых при распылении авиационных сплавов для аддитивных технологий. Внедре­ние разработанных технологий в собственное производство ФГУП «ВИАМ» позволило расширить номенклатуру получаемых порошков за счет возможности повышения темпе­ратуры их распыления. Разработанные тех­нологии способствуют решению проблемы импортозамещения и развития аддитивных технологий в авиационной промышленности России.

5. Высокотемпературные теплоизоляционные, теплозащитные и уплотнительные материалы

На протяжении более 30 лет ВИАМ ведет ра­боты по созданию уникальных теплозащитных и теплоизоляционных материалов.

К настоящему моменту разработаны но­вые виды высокотемпературных волокон ту­гоплавких оксидов кремния, алюминия, цир­кония с рабочей температурой до 1700 °С и выше. На их основе созданы теплозащит­ные, теплоизоляционные и уплотнительные материалы.

Проведены исследования по синтезу золь-гель прекурсоров волокон тугоплавких оксидов с использованием коммерчески до­ступного отечественного сырья. Организованы производственно-технологические участки се­рийного производства, направленные на обес­печение высокотемпературной изоляцией и теплозащитными материалами отечествен­ного машиностроения.

Фундаментальные и прикладные ис­следования по выявлению закономерностей между структурой, физическими, механиче­скими и теплофизическими свойствами теплозащитных материалов являются основой для прикладных исследований и примене­ния теплозащитных материалов. В результате научных исследований разработаны материа­лы, обладающие высокой гибкостью, упруго­стью и технологичностью, обеспечивающие удобное их применение при теплоизоляции поверхностей сложных форм от длительно­го воздействия теплового потока высокой мощности. Удельная масса материалов мо­жет составлять от 30 до 300 кг/м³, рабочие температуры материалов на основе базальто­вых волокон и оксида алюминия варьируют­ся от 1200 до 1700 °С, материалы на основе более тугоплавких оксидов имеют рабочие температуры выше 1700 °С. Радиус изгиба до разрушения варьируется от 30 до 600 мм в зависимости от материала волокон, плотно­сти и толщины материала.

На рисунке 3 представлены температур­ные зависимости коэффициентов теплопро­водности образцов гибких материалов с раз­личной плотностью, изготовленных на основе волокон оксида алюминия:

Жесткие теплозащитные материалы изго­тавливают из высокотемпературных волокон в виде блоков, и предназначены они для ис­пользования в качестве теплозащитного и теплоизоляционного материала в условиях непо­средственного воздействия теплового потока с массопереносом. Плотность материалов может составлять от 250 до 1000 кг/м³ при пори­стости от 50 до 94 %. Прочность при сжатии зависит от плотности материала и составляет 0,5 до 2,5 МПа. Коэффициент теплопровод­ности зависит от пористости в большей сте­пени, чем от состава материала, и составляет 0,3-0,6 Вт/(мК).

На рисунке 4 представлена типичная тем­пературная зависимость коэффициента тепло­проводности для материалов с пористостью 80-84 %. Материалы на основе различных тугоплавких оксидов имеют сопоставимые значения коэффициентов теплопроводности. Основным отличием материалов является их рабочая температура.

Разработаны уплотнительные материа­лы, шнуры и оплетки из высокотемпературных волокон. Теплоизоляционные шнуры марки ВШТ предназначены для применения в качестве термического уплотнения, работающего в интервале температур от минус 130 до плюс 1200 °С, в том числе в качестве подвижного уплотнения с повышенной стойкостью к исти­ранию (рис. 5). Уплотнительные шнуры марки ВШУ-1 на основе наиболее термостойких во­локон предназначены для применения в каче­стве уплотнения соединений и теплоизоляции в различных тепловых установках и газотур­бинных двигателях с рабочей температурой до 1800 °С.

Заключение

Приведен обзор современных достижений в области высокотемпературных теплозащит­ных, керамических и металлокерамических композиционных материалов для авиационной техники нового поколения.

Раскрыты основы современного подхо­да к разработке композиционных материалов и теплозащиты для авиационного машино­строения, который основан на многоуровневом цифровом моделировании на нано-, микро-, мезо- и макроуровнях, обеспечивает реали­зацию принципа неразрывности «материал - технология - конструкция».

Представлены основные свойства метал­локерамических композиционных материалов на основе легких сплавов алюминия и тита­на, тугоплавких металлических матриц с дисперсным упрочнением и армированием непре­рывными волокнами. Показаны разработки в области керамических композиционных ма­териалов с применением энергоэффективных технологий нового поколения. Проанализи­рованы основные достижения в области теп­лозащитных материалов на основе волокон тугоплавких оксидов, их свойства и области применения.

Рассмотрены высокотемпературные металлические композиционные материалы на основе матриц из железа, никеля, молиб­дена, ниобия, работоспособные в интервале температур от 1200 до 1600 °С. Показаны варианты повышения эксплуатационных ха­рактеристик высокотемпературных металли­ческих композиционных материалов и обозначены основные преимущества предложенных подходов.

На основании представленных дан­ных следует, что разрабатываемые во ФГУП «ВИАМ» материалы являются конкурен­тоспособными и по техническим характе­ристикам соответствуют мировому уровню разработок.