Микроструктура и свойства армированных керамоматричных композитов с матрицами Si3N4 и SiC

• Автор: Плясункова, Лариса Александровна
• Шифр специальности: 05.17.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Обнинск
• Количество страниц: 159 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 Литературный обзор
1.1 Матрицы и армирующие наполнители, применяемые для производства керамоматричных композитов
1.2 Интерфаза: концепция, разработка и технология
1.3 Методы изготовления керамоматричных композитов
1.4 Физико-механические свойства керамоматричных композитов
1.5 Стойкость керамоматричных композитов к высокотемпературному окислению
Выводы
2 Исходные материалы, технология изготовления и методы исследования
2.1 Исходные материалы
2.2 Оборудование и технология получения керамоматричных композитов в системах 81зИ4-81Сш, БЬН»—8Ю& 813144-С4
2.3 Оборудование и технологи я получения керамоматричных композитов в системе &С-СГ
2.4 Аналитические методы исследования керамоматричных композитов
3 Исследование формирования микроструктуры и свойств керамоматричных композитов в системах 8131Ы4-8Юб
вЗД-С*
3.1 Керамоматричные композиты в системе 813М4-81С№
3.2 Керамоматричные композиты в системе 813И4-81Сг
3.3 Керамоматричные композиты в системе БцНгСг
3.4 Исследование стойкости к высокотемпературному окислению керамоматричных композитов в системе 813К4
4 Исследование формирования микроструктуры и свойства керамоматричных композитов в системе 8Ю-Сг
4.1 Керамоматричные композиты в системе 8КХД
4.2 Исследование стойкости к высокотемпературному окислению керамоматричных композитов в системе 81С
5 Апробация КМК в изделиях конструкционного
назначения
5.1 Результаты испытаний режущих пластин из КМК 813Ы4-81С№ при обработке жаропрочных сплавов
5.2 Результаты испытаний бронепластин из КМК 813Т84-81СД
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
Современные потребности науки и техники выдвинули перед материаловедами важную задачу, решение которой во многом определяет ускорение темпов научно-технического прогресса - создание новых высокоэффективных материалов для надежной работы в конструкциях при температурах 1200-2000°С. К таким прогрессивным материалам в первую очередь относится техническая керамика, которая обладает термодинамической стабильностью, инертностью по отношению к воздействиям многих химически агрессивных сред, высокими показателями механических свойств (упругость, твердость, прочность), а также широким диапазоном изменения теплофизических характеристик в зависимости от состава. Однако использовать эти и другие преимущества в термонапряженных ответственных конструкциях оказалось не простой задачей. Основной проблемой, ограничивающей применение керамики, является хрупкость, обусловленная особенностями ионно-ковалентного типа межатомных связей.
Одним из главных направлений решения этой проблемы в настоящее время признано создание керамоматричных композитов (КМК), армированных дискретными и непрерывными волокнами. В отличие от неармированной керамики, которая разрушается катастрофически, КМК проявляют нелинейную деформацию до достижения максимальной нагрузки и сохраняют несущую способность при дальнейшем нагружении. Это обусловливает возможность их применения в различных областях авиационной и космической техники, двигателестроении, приборостроении, обрабатывающей и военной промышленности и др. [1-5].
Лидирующее место в разработке КМК принадлежит наиболее развитым странам мира: США, Германии, Франции, Швеции, Великобритании и Японии. Вопросам создания и исследования КМК посвящено большое количество публикаций
зарубежных авторов в самых различных направлениях. Наиболее значимыми являются работы в области создания КМК SiC-SiCf (R.Naslain, S.Jacgues, A.Lopez-Marure, S.Suyama, T.Kameda,Y.Itoh) и KMK SiC-Cf ( R.Gadow, M.Speicher), исследования микроструктуры и свойств КМК Si3N4-Si3N4W (P.Sajgalik, J.Dusza, K.Rajan), разработки методик определения характеристик КМК (A.E.Pasto, D.N.Braski, T.R. Watkins), исследований и разработок КМК для конструкций и узлов газотурбинных двигателей (ГТД) и силовых турбин (M.V.Roode, M.K.Ferber, D.W.Richerson).
В ряде стран существует отдельные программы развития аэрокосмической отрасли с широким применением прогрессивных КМК. Компании Дженерал моторе, Снекма и Европейский аэрокосмический концерн уже внедряют элементы конструкций из КМК (кожухи турбин высокого давления, камера сгорания и сопло) в состав двигательных установок Leap-X и European Apogee Motor. Фрикционные элементы из КМК уже используются в высокоскоростных поездах и автомобилях.
В области создания КМК Россия отстает. Коллективами ученых предприятий: ФГУП «ОНПП «Технология», ФГУП «НИИграфит», ОАО НПО «Композит», ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», ФГУП «ММПП «Салют», Санкт-Петербургский Политехнический Университет и Санкт-Петербургский Институт химии силикатов РАН, Институт физики твердого тела РАН (г.Черноголовка), Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, РХТУ им. Д.И.Менделеева создан значительный научно-технический задел для разработки композиционных материалов этого класса.
Следует отметить монографии Шевченко В.Я. и Баринова С.М., в которых обсуждаются влияние физико-химической предыстории на формирование микроструктуры и теоретические основы механических свойств КМК, Костикова В.И. и Варенкова А.Н., в которой изложены современные представления о строении, свой-

жидкости, содержащей летучее связующее и различные добавки, поднимается на барабан и высушивается, после чего получается материал типа препрега. После резки и штабелирования выложенные слои препрега подвергаются горячему прессованию с целью получения композита с плотной матрицей [40]. Необходимо выполнять два важных требования. Первое - волокна должны быть устойчивыми к окислению в условиях горячего прессования, что сводит выбор только к углеродным волокнам и волокнам типа Hi-Nicalon. Второе - матрица должна быть размягченной и должна течь во время горячего прессования, что, как упоминалось, обычно характерно для стеклокерамических матриц (температура горячего прессования 1200 - 1400°С).
Для огнеупорных неоксидных матриц, таких как SiC или Si3N4 в суспензию необходимо добавлять спекающие добавки, поскольку горячее прессование проводится при гораздо более высоких температурах (1700 - 1800°С) и существует риск деградации волокон [41-42].
Пропитка химически активным расплавом
Процессы с участием жидкой фазы (reactive melt infiltration (RMI)) [43] основаны на инфильтрации расплава металла в пористую заготовку под действием капиллярных сил. Глубина пропитки зависит от таких параметров, как поверхностное натяжение и плотность расплава, угол смачивания инфильтруе-мого материала расплавом, размер пор в заготовке.
Технологические процессы, основанные на химических реакциях исходных компонентов, основным преимуществом которых является возможность избежать значительной усадки на стадии термообработки, в последнее время получили дальнейшее развитие в связи с разработкой так называемого Ланксайд-процесса.
Ланксайд-процесс (Lanxide Process) относится к методу пропитки химически активным расплавом и состоит в образовании керамической матрицы реакцией между расплавом и газом. Способ заключается в следующем: в процессе пропитки пористого керамического материала расплавом металла проводят ре-