Выпускник МАИ работает над покрытием, повышающим жаростойкость композитов

Защита от окисления

Основное назначение создаваемого защитного покрытия — обеспечение работоспособности углерод-углеродных и углерод-керамических композиционных материалов в скоростных высокотемпературных окислительных газовых потоках.

— Такие композиты являются перспективными материалами в ракетостроении и космонавтике, поскольку обладают превосходной удельной прочностью и способны выдерживать механические нагрузки при температурах, превышающих 2000 °С, — рассказывает выпускник МАИ. — Однако при столь привлекательных показателях жаропрочности они обладают крайне низкой жаростойкостью, то есть имеют склонность к окислению при температурах более 400–450 °С. При температурах свыше 1000 °С углеродные композиты активно выгорают, что быстро приводит к полной потере механических характеристик.

Окисление является одной из центральных проблем, ограничивающих применение углеродных композиционных материалов в деталях перспективных авиационных и ракетно-космических изделий, подверженных воздействиям скоростных высокоэнтальпийных газовых потоков. Такие условия неизбежно возникают в процессе спуска возвращаемого космического летательного аппарата, а также при полётах на гиперзвуковых скоростях.

Для решения проблемы окисления под руководством доцента кафедры 903 Алексея Николаевича Астапова разрабатывается покрытие, наносимое на поверхность деталей и в процессе эксплуатации не допускающее проникновения к композиту кислорода из окружающей среды. Финансирование исследований осуществляется по  гранту Российского научного фонда.

Концептуальный научный подход, в рамках которого проводятся работы, был заложен профессором МАИ Валентиной Сергеевной Терентьевой. В её работах, относящихся к 1990–2000-м годам, предложена оригинальная архитектура защитного покрытия: тугоплавкий каркас, обеспечивающий сопротивление механическому воздействию потока (стеканию, эрозии), заполненный жидкой фазой, проникающей в поры и трещины и перекрывающей доступ кислорода к защищаемому материалу. Настоящее исследование продолжает и развивает высокие традиции и новаторство указанной научной школы.

Экономичность и эффективность

Известные жаростойкие защитные покрытия, предназначенные для эксплуатации при температурах порядка 2000 °С, обычно основаны на тугоплавких карбидах либо боридах переходных металлов. Их нанесение требует применения относительно сложных методов, таких как ионно-плазменное напыление, электролитическое либо газовое осаждение.

— Наше покрытие относится к не исследовавшейся ранее в мире системе «дисилицид циркония — дисилицид молибдена — диборид циркония», — говорит Иван Лифанов. — Присутствие дисилицида циркония, температура плавления которого относительно невысока и составляет 1620 °С, обеспечивает возможность применения шликерно-обжигового метода формирования. Его суть сводится к нанесению на поверхность защищаемой детали суспензии покрытия (шликера) с последующим оплавлением.

Основное преимущество такого метода — экономичность и отсутствие необходимости в дорогостоящем специальном оборудовании. Нанесение шликера осуществляется с помощью краскопульта или окунания детали, а обжиг проводится в обычной вакуумной печи. При этом наличие плавящейся фазы не является губительным для эксплуатационных характеристик покрытия, поскольку при окислении оно трансформируется в каркас на основе тугоплавкого оксида циркония (температура плавления 2715 °С), дефекты в котором заполняются образующимся боросиликатным стеклом.

На данный момент специалистам удалось разработать лабораторную технологию нанесения покрытия и провести огневые испытания в Центральном аэрогидродинамическом институте имени профессора Н. Е. Жуковского. Образцы с покрытием обдувались гиперзвуковым потоком воздушной плазмы. Покрытие выдержало испытания общей продолжительностью более 1200 секунд с кратковременным (до 100 секунд) подъёмом температур на поверхности до 2200 °С.

Работа продолжается

Достигнутые успехи открывают перспективы промышленного применения разработки. Однако перед внедрением в производство необходимо точное определение ресурса покрытия, требующее многочисленных испытаний и статистической оценки, что позволит гарантировать эффективную работу изделия в заданных условиях. Также задачей, требующей решения, является перенос лабораторной технологии нанесения (обжиг в маломерной вакуумной печи) в промышленные условия. Крупногабаритная вакуумная печь обеспечивает более медленный нагрев, что увеличивает время обжига и сублимацию кремния в процессе формирования покрытия. В свою очередь, это приводит к повышению тугоплавкости покрытия и ухудшает спекание.

— Помимо практических результатов, в процессе работ накоплены обширные теоретические данные по химической системе «дисилицид циркония — дисилицид молибдена — диборид циркония», — отмечает Иван Лифанов. — Эти результаты представлены нами в статьях в высокорейтинговых журналах, на конференциях, и сами по себе представляют научный интерес.

Результаты работ могут быть полезны организациям, занимающимся разработкой ракетно-космических или гиперзвуковых аппаратов. На диссертацию Ивана Лифанова, посвященную данному покрытию, оставили положительные отзывы такие организации, как РКК «Энергия», АО «УНИИКМ», ММЗ «Авангард», ОНПП «Технология» им. А. Г. Ромашина. Все эти организации производят изделия, работоспособность теплонагруженных элементов в которых может быть повышена с применением нового покрытия.