Патент на изобретение №2392250

(54) КЕРАМИЧЕСКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ

(57) Реферат:

Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей горячего тракта перспективных газотурбинных установок и газотурбинных двигателей транспортных систем и энергомашиностроения, работающих при температурах до 1600°С в условиях воздействия окислительных сред. Техническим результатом изобретения является увеличение жаростойкости композиционного материала при рабочей температуре 1600°С в течение длительного времени (200 часов). Керамический композиционный материал содержит углеродные волокна и матрицу, включающую следующие компоненты, мас.%: Si 20-35, С 25-40, SiB₄ 2-4, SiO₂ 0,1-0,9, HfO₂ 1-3, SiC – остальное. 2 табл.

Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей горячего тракта перспективных газотурбинных установок и газотурбинных двигателей транспортных систем и энергомашиностроения, работающих при температурах до 1600°С в условиях воздействия окислительных сред.

Известен керамический композиционный материал, который состоит из армирующего неорганического волокна и матрицы, включающей 40-95 мас.% фазы SiC и 5-60 мас.% оксидной фазы. Оксидная фаза может представлять собой ZrSiO₄ или стеклокерамическую фазу составов BaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂ или SrO-Al₂O₃-SiO₂. При этом средний элементный состав фазы SiC составляет, мас.%: 30-80 Si, 15-69 С, 0,005-20 О или 30-80 Si, 10-65 С, 0,005-25 О (патент США 6331496).

Недостатком указанного композиционного материала является низкая жаростойкость на воздухе при воздействии температуры 1600°С в течение длительного времени.

Известен керамический композиционный материал, армированный волокнами SiC с керамической матрицей, содержащей SiC в виде кристаллов в количестве до 70 мас.% и гранулы SiC из синтетического композиционного нанопорошка (заявка Франция 2849022).

Недостатком известного композиционного материала является низкая жаростойкость на воздухе при воздействии температуры выше 1200°С за счет деградации защитной аморфной пленки SiO₂ с образованием кристобалита, вызывающего необратимые объемные изменения, приводящие к растрескиванию защитной пленки и потере массы композиционного материала.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:

Si	20-35
С	25-40
SiB4	2-6
SiC	остальное (патент РФ 2297992)

Недостатком композиционного материала – прототипа являются недостаточная жаростойкость (высокая убыль массы) при рабочей температуре 1600°С.

Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение жаростойкости композиционного материала при рабочей температуре 1600°С в течение длительного времени (200 часов). Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, при этом матрица дополнительно содержит диоксид кремния и диоксид гафния при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:

Установлено, что сбалансированное введение в матрицу наномодификаторов – двухкомпонентной золь-системы на основе диоксида кремния и диоксида гафния при заявленных соотношениях и содержаниях компонентов приводит к образованию при воздействии кислорода воздуха в процессе нагревов наноструктурированной тугоплавкой стекловидной фазы переменного состава в системе «высококремнеземное стекло -HfO₂-HfSiO₄, обеспечивающей самозалечивание при окислении и герметизацию возможных микродефектов матрицы в виде микротрещин, пор и т.п., и тем самым повышающей жаростойкость керамического композиционного материала при воздействии рабочей температуры 1600°С в течение длительного времени.

Примеры осуществления

Для получения керамического композиционного материала были приготовлены композиции предлагаемого материала (1-3) и материала-прототипа (4), соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1.

Дисперсные частицы матрицы карбида кремния, кремния, углерода (SiC, Si, С) смешивали с частицами тетраборида кремния (SiB₄) и углеродными волокнами в полиэтиленовых барабанах. В качестве углеродного волокнистого материала использовали углеродные волокна УКНП-5000.

Полученную смесь засыпали в пресс-форму и прессовали при температурах 150-180°С. Затем пресс-заготовки подвергали высокотемпературной термообработке в вакуумной печи при температуре 1600-1700°С.

После термообработки в вакууме образцы подвергали пропитке золем диоксида кремния SiO₂ с добавлением нанопорошка диоксида гафния (НfO₂).

Анализ полученных результатов (табл.2) свидетельствует о том, что предлагаемый керамический композиционный материал при 1600°С в течение 200 часов обладает высокой жаростойкостью. Материал-прототип при обработке теряет часть углерода армирующего наполнителя, что приводит к убыли массы после 50 часов испытаний и к его разрушению после испытаний в течение 100 часов при 1600°С.

Привес массы образцов (0,9-3,4 мас.%), связанный с образованием тугоплавкой стекловидной фазы при нагревах на воздухе при температуре 1600°С, подтверждает наличие защитного эффекта матрицы предлагаемых составов композиционного материала в течение длительного времени (до 200 часов), предотвращающего диффузию кислорода воздуха вглубь образца и препятствующего окислению углеродного армирующего волокна.

Таким образом, применение предлагаемого композиционного материала в теплонагруженных узлах и деталях горячего тракта перспективных газотурбинных установок и газотурбинных двигателей транспортных систем и энергомашиностроения позволяет увеличить их жаростойкость при рабочей температуре 1600°С в течение длительного времени, соответственно повысить надежность и ресурс изделий.

Таблица 1
Наименование компонентов	Состав по примерам, мас.%
	1	2	3	4 прототип
Матрица:
Si	28	35	20	29
С	32	25	40	33
SiB4	4	2	2,5	3
SiO2	0,1	0,5	0,9	–
HfO2	1	2	3	–
SiC	ост.	ост.	ост.	ост.

Таблица 2
Параметры испытаний образцов на жаростойкость	Изменение массы образцов после испытаний на жаростойкость, мас.%
Температура, °С	Время, ч	1	2	3	4 прототип
	50	0,9	2,0	1,3	-3,5
1600	100	1,9	2,7	2,0	разрушение образца
	200	2,8	3,4	3,0	-«-

Формула изобретения

Керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, отличающийся тем, что матрица дополнительно содержит диоксид кремния и диоксид гафния при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%: