керамический композиционный материал
Классы МПК: | C04B35/80 волокна, нити, пластинки, спиральные пружины или подобные им формованные материалы C04B35/577 композиты |
Автор(ы): | Гращенков Денис Вячеславович (RU), Исаева Наталия Всеволодовна (RU), Солнцев Сергей Станиславович (RU), Ермакова Галина Владимировна (RU), Рожкова Мария Сергеевна (RU) |
Патентообладатель(и): | Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2010-10-05 публикация патента:
10.04.2012 |
Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей перспективных газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, транспортных и энергетических систем, работающих в условиях высоких термоциклических нагрузок при температурах до 1650°С на воздухе и в продуктах сгорания топлива. Предложенный керамический композиционный материал включает углеродные волокна и матрицу, полученную из композиции следующего химического состава, мас.%: Si 20-35, С 25-40, SiO2 5,5-6,0, НfО2 5-8, SiC - остальное. Технический результат изобретения - повышение надежности и ресурса службы изделий в условиях высоких термоциклических нагрузок при рабочей температуре до 1650°С. 3 табл.
Формула изобретения
Керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, диоксид кремния, диоксид гафния, карбид кремния, отличающийся тем, что исходная композиция матрицы имеет следующий химический состав, мас.%:
Si | 20-35 |
С | 25-40 |
SiO 2 | 5,5-6,0 |
НfO | 5-8 |
SiC | остальное |
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей перспективных газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, транспортных и энергетических систем, работающих в условиях высоких термоциклических нагрузок при температурах до 1650°С на воздухе и в продуктах сгорания топлива.
Известен 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 ВаО-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 термостойкость (стойкость к циклическим нагревам) при температуре 1650°С.
Известен керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу следующего состава, мас.%:
Si | 20-35 |
С | 25-40 |
SiB 4 | 2-6 |
SiC | остальное (патент РФ № 2297992) |
Керамический композиционный материал может быть использован при изготовлении узлов и деталей горячего тракта газотурбинных двигателей, применяющихся в авиационной технике и машиностроении для эксплуатации при температурах не выше 1500°С.
Известен также керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу следующего химического состава, мас.%:
Si | 20-35 |
С | 25-40 |
SiB 4 | 0,1-1,5 |
SiO2 | 1-5 |
SiC | остальное (патент РФ № 2352543) |
Известный композиционный материал может быть использован при изготовлении деталей, работающих в условиях воздействия окислительных сред при температурах до 1550°С.
К недостаткам этих материалов следует отнести низкую термостойкость при температурах до 1650°С.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, диоксид кремния, диоксид гафния и карбид кремния при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:
Si | 20-35 |
С | 25-40 |
SiB 4 | 2-4 |
SiO2 | 0,1-0,9 |
HfO2 | 1-3 |
SiC | остальное (патент РФ № 2392250) |
Недостатком композиционного материала - прототипа является недостаточная термостойкость при температуре до 1650°С.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание керамического композиционного материала, обладающего повышенной термостойкостью в условиях высоких термоциклических нагрузок при рабочей температуре до 1650°С.
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, диоксид кремния, диоксид гафния, карбид кремния, при этом исходная композиция матрицы имеет следующий химический состав, мас.%:
Si | 20-35 |
С | 25-40 |
SiO 2 | 5,5-6,0 |
HfO2 | 5-8 |
SiC | остальное |
Установлено, что изменение содержания диоксида кремния и диоксида гафния при заявленных соотношениях и содержаниях других компонентов в матрице позволяет повысить термостойкость керамического композиционного материала за счет образования наноструктурированной тугоплавкой стекловидной фазы переменного состава в системе «SiO 2-стекло-HfO2-HfSiO4», способной к релаксации термоупругих напряжений, обеспечивающей самозалечивание и герметизацию возможных технологических и эксплуатационных микродефектов за счет допирования наномодификаторами на основе золь-гель прекурсоров, предотвращая диффузию кислорода в объем материала и препятствуя окислению углеродного армирующего волокна, при воздействии высоких термоциклических нагрузок на воздухе и в продуктах сгорания топлива при рабочей температуре до 1650°С.
Примеры осуществления
Для получения 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 углеродным волокном в полиэтиленовых барабанах. В качестве углеродного волокнистого материала использовали углеродные волокна УКНП-5000.
Количество углеродного волокна составляло 10-20 мас.%.
Карбид кремния, кремний и углерод перед смешиванием предварительно измельчали на мельницах планетарного типа до получения частиц размером менее 40 мкм.
Порошок диоксида гафния имел частицы размером 40-60 нм.
В качестве прекурсора использовали промышленно-выпускаемый коллоидный раствор двуокиси кремния с содержанием твердой фазы 26 мас.%.
Полученную смесь засыпали в пресс-форму и прессовали при температурах 180-200°С. Затем пресс-заготовки подвергали высокотемпературной термообработке в вакуумной печи при температуре 1650-1800°С.
После термообработки в вакууме образцы подвергали пропитке наномодификаторами на основе золь-гель прекурсоров (золем диоксида кремния SiO 2 с добавками нанодисперсного порошка диоксида гафния HfO 2) с промежуточными сушками на воздухе.
Образцы керамического композиционного материала, изготовленные по композициям (1-3), испытывали на термостойкость при температуре 1650°С в течение 5000 циклов по 1 мин каждый по режиму 800 1650°С и в течение 100 циклов по 10 мин каждый по режиму 1650
20°С, охлаждение на воздухе. Материал - прототип испытывали на термостойкость при температуре 1600°С. Результаты исследований представлены в таблице 2 и 3.
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что при высокотемпературных термоциклических нагревах термостойкость предлагаемого композиционного материала в 1,6 раза выше по сравнению с материалом - прототипом, который теряет часть углерода армирующего наполнителя, что приводит к его разрушению после испытаний при 1600°С соответственно после 3100 (табл.2) и 60 (табл.3) циклов.
Таким образом, применение предлагаемого композиционного материала с повышенной термостойкостью при изготовлении теплонагруженных деталей перспективных газотурбинных установок, в том числе внутренней поверхности камеры сгорания ГТД, других функциональных материалов обеспечивает их работоспособность в условиях высоких термоциклических нагрузок при температурах до 1650°С в агрессивных средах в течение длительного времени и, соответственно, позволяет повысить надежность и ресурс изделий.
Таблица 2 | |||
№ п/п | Параметры испытаний образцов | ||
Температура испытания, °С | Термостойкость 800°С![]() | ||
Количество циклов, 1ц-1 мин | Внешний вид | ||
1 | 1650 | 5000 | Дефектов нет |
2 | 1650 | 5050 | Дефектов нет |
3 | 1650 | 5100 | Дефектов нет |
Прототип | 1600 | 3100 | Разрушение образца |
Таблица 3 | |||
№ п/п | Параметры испытаний образцов | ||
Температура испытания, °С | Термостойкость 1650°С![]() | ||
охлаждение на воздухе | |||
Количество циклов, 1ц-10 мин | Внешний вид | ||
1 | 1650 | 100 | Дефектов нет |
2 | 1650 | 100 | Дефектов нет |
3 | 1650 | 101 | Дефектов нет |
Прототип | 1600 | 60 | Разрушение образца |
Класс C04B35/80 волокна, нити, пластинки, спиральные пружины или подобные им формованные материалы