3. Применение уукм

В последние годы во всех промышленно развитых странах ведутся интенсивные разработки по применению целой гаммы композиционных материалов в конструкции газотурбинных двигателей, что обусловлено возможностью повышения рабочих температур, уменьшения массы, габаритов, увеличения удельной тяги двигателя и т. д.

Перспективными для применения в ГТД являются углерод-углеродные композиционные материалы. К числу их достоинств относятся низкая плотность, высокие прочностные характеристики, теплопроводность. Однако для них необходимо решение проблемы выгорания или окисления при температурах выше 370 °С путем применения защитных покрытий веществ, связывающих кислород. В частности, фирма «Уилльяма интернейшил» (США) проводит испытания турбинной форсунки из углерод-углеродного композиционного материала с покрытием из карбида кремния.

Новые УУКМ, которые смогут работать при температурах до 1927 °С, предлагается применять в ГТД с очень низким расходом топлива. Получение таких композитов возможно с использованием защитных покрытий, не изменяющих механические свойства композита. Кроме того, проводятся работы по снижению степени окисления в интервале температур 538...760 °С. Однако отмечается ограниченность возможностей применения широкого круга противоокислительных веществ, так как возникает проблема сохранения высокого уровня механических свойств УУКМ.

Фирмой «Лицзяс дивижн» (США) изготовлено колесо турбины диаметром 365 мм, массой 3,4 кг из УУКМ, успешно прошедшее стендовое испытание при действии нагрузки на колесо 2000 Н и скорости его вращения 28000 мин.

Фирма «Пратт и Уитни» (США) изготовляет панели из трехмерного тканого УУКМ с ребрами жесткости для слабонагруженных конструкции с внутренним креплением, предназначенных для использования в перспективных ГГД. Из УУКМ 3Д-структуры на основе вискозных углеродных волокон фирма «Аэрогент» (Франция) предлагает изготавливать выходные сопла двигателей.

Основные направления работ по применению деталей из УУКМ в конструкции ГТД направлены на получение антиокислительных покрытии или замену, полную или частичную, углеродной матрицы на карбидную.

Существует много факторов, которые необходимо принимать во внимание при разработке системы защиты от окисления для УУКМ. С внешней стороны покрытие должно представлять собой эффективный барьер, препятствующий диффузии в материал кислорода. Кроме того, оно должно содержать мало летучих веществ во избежание лишней эрозии в высокоскоростных газовых потоках. Внутри же должна обеспечиваться хорошая адгезия покрытия с подложкой, но без излишнего проникновения покрытия в подложку. Внутренние слои не должны содержать углерод и сохранять монолитность в условиях эксплуатации, чтобы предотвратить карботермическое восстановление оксидов во внешних слоях. И, наконец, все поверхности раздела должны иметь химическую совместимость друг с другом и хорошую механическую совместимость с поверхностью УУКМ.

Наилучшую совместимость по термическому расширению и наименьшие скорости окисления среди высокотемпературных керамических материалов имеют материалы на основе кремния. Поэтому большое число публикаций посвящено использованию материалов на основе кремния для долговременной защиты УУКМ. Однако верхний температурный предел их применения определен 1700...1800 С. При более высоких температурах рассматриваются покрытия на основе более тугоплавких элементов Тi, Zn, Hf.

Ввиду образования трещин за счет напряжений, обусловленных разностью термических коэффициентов линейного расширения композита и покрытия, требуется включение в материал веществ, которые могли бы заполнять трещины и таким образом обеспечивать более надежную защиту. Все системы защиты УУКМ, успешно действующие при температурах до 1500 ^оС в течение длительных периодов времени, используют бор. Элементный бор и его соединения вводят в виде модификаторов в углеродные волокна или как компонент покрытия. Основными проблемами в этих системах являются чувствительность к влаге стеклообразующих боратов, длительная совместимость их с наружным покрытием и стойкость в условиях высоких температур в течение длительного времени. При температурах до 1760 ^оС самозалечивание обеспечивается главным образом в результате образования на поверхности SiO₂.

Высокие скорости окисления огнестойких карбидов, таких как НfС, и боридов не позволяют использовать их в качестве долговременной защиты при температурах выше 1800 ^оС. Поэтому более перспективными являются оксиды.

Критерием при выборе оксидных покрытий является точка плавления, давление паров и ТКЛР. Термостабильность, достаточную для долговременного использования при температурах выше 2000 ^оС. имеют ZnO₂ и НfO₂, при более низких температурах можно применять А1₂О₃.

Другую проблему использования оксидов составляет диффузия кислорода при высоких температурах. Высокая проницаемость кислорода делает Указанные системы неэффективными для применения в качестве кислородных барьеров. Оксид кремния имеет самую низкую проницаемости кислорода и является лучшим материалом для использования в качестве барьера. В связи с этим для создания защиты композита при температурах выше 1800 ^оС применяют многослойные покрытия: наружный слой – жаростойкий оксид, внутренний слой – из стекловидного SiO₂. Повышение температуры использования УУКМ связано с разработкой многокомпонентных покрытий, в состав которых входят диборит гафния, диоксид гафния и иридий. Эти вещества имеют очень высокую температуру плавления (табл. 4).

Таблица 4

Вещество	HfB	HfO	Ir
Температура плавления, оС	3250	2810	2454

При разработке покрытия важным параметром является его толщина. Слишком тонкие покрытия не будут достаточно надежно защищать основу от кислорода, а слишком толстые, как правило, бывают хрупкими, легко разрушаются и отслаиваются от поверхности УУКМ.

Широкое применение в деталях ГТД нашли композиты с керамической матрицей SiО. Один из наиболее известных материалов – УВ/SiС (Sepcarbinox) фирмы «SЕР». Сопло из Sepcarbinox может выдержать несколько циклов работы при 1700 К в течение 300 с без системы охлаждения.

Sepcarbinox был создан с целью улучшения механических свойств и стойкости против окисления УУКМ путем замены углеродной матрицы на керамическую, состоящую из карбида кремния. При формировании матрицы SiС используется процесс химической пропитки из пара. С помощью этого процесса, применяя в качестве полуфабриката пористые волокнистые каркасы из УВ, получили армированную волокном керамику со следующими матрицами: SiС, SiС+С, ТiС, ТiС+С, ВС, В₃N₄ и Al₂О_З. Наивысшие механические характеристики получены с матрицей из ВС, а наилучшую защиту от окисления гарантировала матрица из SiС.

В качестве сырья использовали поликарбосилан и листы целлюлозной бумаги толщиной 0,26 мм. Листы бумаги погружали в раствор поликарбосилана в бензоле на 1 ч и высушивали 30 мин на воздухе. После этого полуфабрикат нагревали до 1200, 1300, 1400 °С со скоростью подъема температуры до 100 °С в час в среде азота и выдерживали при заданной температуре в течение часа. Таким образом получали листовой КМ, состоящий из SiС, матрицы, армированной наполнителем.

Японской фирмой «Норитаке» разработан новый высокопрочный композит с керамической матрицей, армированный углеродными волокнами. Материал обладает высокой ударной вязкостью, которая в 6 раз выше ударной вязкости традиционных керамических материалов и не ухудшается в интервале температур до 1200 °С. Его изготовляют методом филаментарной намотки, применяя в качестве исходного связующего суспензию из нитрида кремния или муллита. После сушки заготовку спекаю при 1700 °С методом горячего прессования под давлением 35 МПа. Для получения материала с высокими характеристиками по прочности на разрыв и вязкости разрушения, содержание углеродных волокон в материале должно составлять от 30 до 45%. Такой материал имеет вязкость разрушения 29 МПа и прочность при изгибе 690 МПа в случае использования в качестве матрицы нитрида кремния, и 18 и 610 МПа соответственно в случае использования муллита.

Для изготовления термостойких высокопрочных, конструкций, например ротора газовой турбины, вручную или с помощью машины готовят из кремниевых или углеродных волокон сетчатый каркас заданной формы, несколько меньший по сравнению с конечной формой элемента. Затем методом химического газофазного осаждения поверхность каркаса покрывают керамикой, что осуществляют с помощью лазера или высокочастотного индукционного нагрева.

Композит, сохраняющий прочность до температур свыше 2000 °С, применяемый для изготовления турбинных лопаток, деталей сопла и других жаростойких изделий, получают следующим образом. Формованное изделие из непрерывного УВ и ТiС или ТiВ, ТiN и др., пропитывают смесью SiС, Si₃О, N₄, SiО₂, Si в термореактивной смоле, отверждают при температурах 20...200 °С и карбонизируют в атмосфере аргона при 1000 °С. После карбонизации материал пропитывают жидким кремнием при температуре выше 1450 °С в инертной газовой среде и подвергают термообработке до формирования КМ УВ/ SiС.

Высокоплотные многоармированные УУКМ, полученные с применением пека, успешно применяют в соплах ракетных двигателей в самых теплонапряженных зонах, заменяя малопрочные графиты и тяжелые тугоплавкие сплавы на основе вольфрама и молибдена. Так, в двигателях ракет типа «Мinuteman» сопловые вкладыши критического сечения выполнены в ряде моноблочной конструкции из УУКМ со структурой 3D, что позволило при модернизации двигателей снизить массу узла, обеспечить требуемые тяговые характеристики и повысить надежность работы сопла. В малогабаритных пороховых ракетах неохлаждаемая конструкция сопел часто выполняется из разнородных материалов. Свойства этих материалов для вкладышей критического сечения приведены в таблице 5, из которой следует, что комплекс характеристик УУКМ (плотность, прочность, термостойкость) обеспечивает высокую эрозионную стойкость и позволяет получить оптимальную по массе конструкцию вкладыша.

Таблица 5