Введение
Одним из ключевых направлений деятель-ности ФГУП ？ВИАМ？ является разработка высокотемпературных теплозащитных, кера-мических и металлокерамических композиционных материалов для перспективных из-делий авиационной и ракетной техники [1, 2]. Наиболее ярким примером служит создание многоразовой внешней плиточной теплоза-щиты орбитального корабля ？Буран？ (СССР) [2]. Рассматриваемые в обзоре теплозащитные, керамические и металлокерамические компо-зиционные материалы позволяют обеспечить повышение рабочих температур элементов конструкции летательных аппаратов при од-новременном повышении эксплуатационных нагрузок [3].
Металлокерамические композиционные материалы (МКМ) имеют ряд важных преиму-ществ, таких как высокие жесткость, проч-ность, трещиностойкость, износостойкость, высокие температуры эксплуатации. Сре-ди них на первом месте по объему примене-ния находятся композиционные материалы на основе алюминиевых и титановых матриц, армированных частицами и волокнами [3]. За рубежом подобные материалы активно вне-дряются в перспективные образцы техники. Так, волокнистые МКМ на основе титановых и интерметаллидных титановых сплавов, ар-мированные волокнами, применяют в высо- конагруженных элементах конструкций: тяги, рычаги, сосуды высокого давления, кромки, лопатки компрессоров низкого и высокого дав-ления. Низконаполненные дисперсно-упроч-ненные МКМ на основе алюминия исполь-зуют в элементах силового набора, обшивках топливного бака, гидравлических системах. Высоконаполненные МКМ с алюминиевой матрицей нашли применение в силовой элек-тронике (IGBT-модули, системы управления электрическими приводами, импульсные ис-точники питания и др.).
В теплонагруженных конструкциях, ис-пытывающих механические напряжения, тре-буется применение материалов на основе жа-ропрочных матриц. К наиболее перспективным материалам этого класса можно отнести компо-зиты на основе молибдена, ниобия и никеля [4-8], для улучшения эксплуатационных харак-теристик которых применяют технологии леги-рования и упрочнения дисперсными частицами и керамическими волокнами. Изделия, изго-товленные из металлических композиционных материалов на основе Мо, Nb, Ni, могут иметь рабочую температуру от 1200 до 1600 °С.
МКМ на основе никелевых сплавов с вы-соким наполнением являются перспективны-ми для триботехнического применения в тя- желонагруженных узлах трения, работающих в условиях высоких температур с ограничен-ной подачей смазки [10]. В качестве керами-ческой составляющей применяются карбиды, нитриды, карбонитриды, бориды, силициды, оксиды, интерметаллиды и более сложные керамоподобные соединения, а также их комби-нации. Дополнительно в состав могут входить вещества из класса ？твердых смазок？ (графит, дисульфид молибдена, гексагональный нит-рид бора и др.) и легкоплавкие металлы, вы-полняющие роль гидродинамических смазок в тонких слоях. В парах трения-скольжения, выполненных из высоконаполненных МКМ, удается получить низкие значения коэффици-ента трения и малую величину износа.
В целях изготовления наиболее теплона-груженных элементов корпуса, деталей горяче-го тракта двигателей и элементов конструкций радиотехнического назначения с рабочими тем-пературами более 1500 °С для авиационной тех-ники нового поколения необходимо применение конструкционных керамических и стеклокера-мических композиционных материалов с ма-лым весом, высокими значениями прочности, твердости, трещиностойкости, коррозионной и эрозионной стойкости в совокупности с дли-тельным жизненным циклом в условиях высо-котемпературного окисления [11, 12].
Еще большее повышение эксплуатацион-ных температур обеспечивают теплозащитные материалы, призванные защищать конструк-ционные элементы от внешнего и внутренне-го теплового воздействия в процессе эксплу-атации летательного аппарата, одновременно обеспечивая дополнительную защиту от фак-торов окисления.
История ВИАМ в области разработки теплозащиты космических аппаратов насчиты-вает десятилетия. В ВИАМ создана экранно-вакуумная теплоизоляция спускаемого аппа-рата корабля ？Восток？ и всех последующих космических аппаратов, включая орбиталь-ный корабль ？Буран？ [1]. Тепловая защита является в некоторой степени решающим зве-ном в работоспособности космических лета-тельных аппаратов, в том числе возвращае-мых, поскольку именно теплозащита отвечает за сохранность и нормальное функционирова-ние как отдельных узлов и конструкций, так и аппарата в целом.
Сегодня ФГУП ？ВИАМ？ разрабатывает материалы для авиационной и ракетно-косми-ческой техники, базируясь на новом подходе с учетом классических моделей.
Объекты и методы исследования
Металлокерамические композиционные ма-териалы получали как с использованием ме-тодов порошковой металлургии, так и с по-мощью жидкофазных технологий (пропитка, инфильтрация) в сочетании с методом искро-вого плазменного спекания. Керамические композиционные материалы получали метода-ми горячего прессования, искрового плазмен-ного спекания и золь-гель методом. Теплоза-щитные материалы изготавливали по золь-гель технологии.
Исследование механических характери-стик проводили на разрывных машинах Instron 5965, Instron 5882, Zwik Z010 в соответствии со стандартизованными методиками и ГОСТ.
Исследование термического коэффи-циента линейного расширения проводили на высокотемпературном дилатометре DL-1500 H/HR в интервале температур от 20 до 1400 °С, коэффициент теплопроводности определяли динамическим методом лазерной вспышки на измерителе теплофизических параметров твердых тел LFA 427 в диапазоне температур от 20 до 1900 °С с последующей аппроксима-цией до более высоких температур.
Для исследования микроструктуры мате-риалов применяли метод растровой электрон-ной микроскопии с применением микроскопов S-405, Verios 460 XHR, Zeiss EVO MA 10.
1. Цифровое моделирование при создании металлических и керамических композиционных материалов и теплозащиты
Многоуровневое моделирование матери-ала на нано-, микро-, мезо- и макроуровнях, схема которого отражена на рисунке 1, обеспе-чивает реализацию принципа неразрывности ？материал - технология - конструкция？.
Рис. 1. Схема многоуровневого моделирования материалов
Фундаментальные исследования начина-ются с атомно-молекулярного конструирова-ния и квантово-механических расчетов. Затем осуществляется последовательный переход на наноуровень изучения межмолекулярных взаимодействий. Исследования на микроуров-не основаны на расчете параметров фазовой стабильности и научном поиске новых методов синтеза сложных комплексных химических соединений. Мезоуровень является началом прикладных исследований, переходя на макро-уровень к материалам и технологиям нового поколения.
Сегодня ВИАМ активно применяет циф-ровые технологии для моделирования гетеро-генных металлокерамических сред. Разработа-но 9 многофакторных моделей для 6 классов армированных, дисперсноупрочненных и во-локнистых КМ и теплозащиты.
2. Металлические композиционные материалы на основе легких сплавов
ФГУП ？ВИАМ？ реализует разработку и выпуск металлокерамических композицион-ных материалов на основе алюминия и титана в виде дисперсноупрочненных низко- и высоконаполненных КМ.
В рамках совместных работ с Российским научным фондом проведены исследования влияния состава алюминиевых сплавов серий 6ХХХ (6061, 6063, 6092), 2ХХХ (2024, 2009), 7ХХХ (7075, 7050) и процентного содержания наполнителя на физико-механические свой-ства композиционных материалов. Показано, что максимальными механическими характе-ристиками обладают алюмоматричные компо-зиционные материалы с алюминиевыми спла-вами серии 7ХХХ (г ≈ 3,0 г/см[1], S20В ≈ 700 МПа, Е20 ≈ 115 ГПа, s20сж ≈ 705 МПа).
Проведены исследования и разработана технология изготовления высоконаполненного МКМ системы Al-SiC и изделий из него. Композиционный материал имеет следующие свойства: ρ = 2,9÷3,0 г/см3, α = 6,9÷7,2 К-1 (в диапазоне температур 20+100 °С), λ = 130÷150 Вт/мК (в диапазоне от 20 до 100 °С). Разработана установка вакуумно-компрессионной пропитки пористых керамических заготовок матричным сплавом, создано произ-водство теплоотводящих оснований из КМ Al-SiC на базе ПАО ？Электровыпрямитель？ мощностью до 10 000 шт./г.
Проведены комплексные исследова-ния по созданию волокнистых композицион-ных материалов на основе титановых матриц для высоконагруженных конструкций лета-тельных аппаратов. Установлены закономер-ности между механическими характеристи-ками композиционных материалов, составом матрицы на основе титана и объемной долей наполнителя.
В результате разработан материал на основе интерметаллида титана, превосхо-дящий импортные аналоги по физико-меха-ническим показателям: ρ ≈ 4,5 г/см3, σ20Β ≈ 1680 МПа, Е20 ≈ 200 ГПа, σ 20сж ≈ 2300 МПа.
3. Металлические высокотемпературные композиционные материалы
Разработками в области создания изделий из высокотемпературных металлических композиционных материалов на основе Мо, Nb, Ni, Fe матриц, упрочненных дисперсны-ми частицами, занимаются активно во многих странах мира. Этот интерес связан с чрезвы-чайно высокой структурной стабильностью, высокими значениями прочностных характеристик, химической инертностью и коррозионной стойкостью дисперсно-упрочненных металлических композиционных материалов на основе тугоплавких металлов.
Во ФГУП ？ВИАМ？ разработаны высо-котемпературные металлические композици-онные материалы на основе матриц из желе-за, никеля, молибдена, ниобия и технологии упрочнения МКМ дисперсными частицами и керамическими волокнами. Установлены зависимости между составом и количеством упрочняющей фазы в МКМ на основе Мо, Nb, Ni, Fe матриц и физико-механическими и тепловыми свойствами готового материала. Армирование тугоплавких матриц керами-ческими волокнами позволило разработать комплекс композиционных материалов, от-личающихся на 20÷30 % меньшей удельной массой, на 10÷20 % большей рабочей темпера-турой, в 1,5÷2,0 раза более высокими механи-ческими характеристиками и большей устой-чивостью к тепловому старению по сравнению с материалом матрицы.
Композиционные материалы на основе ту-гоплавких матриц предназначены для примене-ния в теплонагруженных элементах конструк-ции, работающих в условиях высоких механических напряжений. Применение раз-работанных металлокерамических компози-ционных материалов обеспечит работоспособ-ность элементов конструкции перспективных ЛА при температурах ≥1400 °С.
Разработаны высоконаполненные MKM триботехнического назначения, которые по триботехническим свойствам не уступа-ют керамическим и имеют перед ними ряд преимуществ. Благодаря наличию металличе-ской связки металлокерамические материалы устойчивы к вибрации и ударам. Подбором трущихся контртел из различных по составу металлокерамических материалов можно до-биться низкого коэффициента трения и высо-кой износостойкости.
4. Керамические/стеклокерамические композиционные материалы и антиокислительные покрытия
ФГУП ？ВИАМ？ активно занимается раз-работкой высокотемпературных керамиче-ских и стеклокерамических композиционных материалов (ККМ и СККМ соответственно), а также технологий изготовления элементов конструкций летательных аппаратов из них с применением уникальных технологий.
Для консолидации порошков при по-лучении широкого спектра материалов (вы-сокотемпературных, композиционных нано-структурных, градиентных и многих других) ФГУП ？ВИАМ？ активно использует инно-вационную технологию FAST/SPS с комби-нированным (гибридным) методом нагрева, включающим в себя искровое плазменное спе-кание и индукционный нагрев. Применение данной технологии позволило разработать ряд керамических композиционных материалов на основе тугоплавких соединений редких и редкоземельных металлов с равномерной мелкокристаллической структурой, прочно-стью при изгибе до 450 МПа и рабочими тем-пературами ≥1700 °С. Микроструктура ККМ, полученного гибридным методом FAST/SPS, представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Микроструктура ККМ, получаемых FAST/SPS методом
Во ФГУП ？ВИАМ？ ведутся работы, направленные на разработку золь-гель тех-нологий изготовления керамических и стек-локерамических композиционных материа-лов авиационного назначения. Проведение систематических исследований дало возмож-ность увеличить температуры эксплуатации стеклокерамических композитов с 500÷700 до 1500 °С. Были разработаны композици-онные материалы радиотехнического назна-чения на основе бесщелочной алюмосили- катной стеклокерамики, характеризующиеся уникальным сочетанием диэлектрических и термических свойств. Увеличение трещиностойкости и термостойкости в сочетании со снижением температуры синтеза при сохра-нении уровня радиотехнических характе-ристик стеклокерамических композицион-ных материалов обеспечит превосходство над лучшими отечественными и зарубежны-ми аналогами, повысит конкурентоспособ-ность отечественной продукции на зарубеж-ном и российском рынках.
Проведены исследования и разработана технология изготовления керамических эмитте-ров на основе гексаборида лантана, предназна-ченных для бездефектной электронно-лучевой сварки крупногабаритных сложнопрофильных деталей из жаропрочных, высокопрочных, кор-розионностойких сталей, титановых и других сплавов. За счет достижения высокой плот-ности и чистоты поверхности, а также обес-печения равномерной микроструктуры эмит-теры обеспечивают стабильный ток эмиссии на уровне ≥500 мА. В настоящее время во ФГУП ？ВИАМ？ освоено опытно-промыш-ленное производство керамических эмиттеров мощностью 1500^2000 шт./год.
С применением метода горячего прессо-вания во ФГУП ？ВИАМ？ разработана техноло-гия получения керамического композиционно-го материала марки ВМК-17 с повышенной термостойкостью до 1700 °С и инертностью к воздействию расплавов металлов, а также технология изготовления сопел из него, ис-пользуемых при распылении авиационных сплавов для аддитивных технологий. Внедре-ние разработанных технологий в собственное производство ФГУП ？ВИАМ？ позволило расширить номенклатуру получаемых порошков за счет возможности повышения темпе-ратуры их распыления. Разработанные тех-нологии способствуют решению проблемы импортозамещения и развития аддитивных технологий в авиационной промышленности России.
5. Высокотемпературные теплоизоляционные, теплозащитные и уплотнительные материалы
На протяжении более 30 лет ВИАМ ведет ра-боты по созданию уникальных теплозащитных и теплоизоляционных материалов.
К настоящему моменту разработаны но-вые виды высокотемпературных волокон ту-гоплавких оксидов кремния, алюминия, цир-кония с рабочей температурой до 1700 °С и выше. На их основе созданы теплозащит-ные, теплоизоляционные и уплотнительные материалы.
Проведены исследования по синтезу золь-гель прекурсоров волокон тугоплавких оксидов с использованием коммерчески до-ступного отечественного сырья. Организованы производственно-технологические участки се-рийного производства, направленные на обес-печение высокотемпературной изоляцией и теплозащитными материалами отечествен-ного машиностроения.
Фундаментальные и прикладные ис-следования по выявлению закономерностей между структурой, физическими, механиче-скими и теплофизическими свойствами теплозащитных материалов являются основой для прикладных исследований и примене-ния теплозащитных материалов. В результате научных исследований разработаны материа-лы, обладающие высокой гибкостью, упруго-стью и технологичностью, обеспечивающие удобное их применение при теплоизоляции поверхностей сложных форм от длительно-го воздействия теплового потока высокой мощности. Удельная масса материалов мо-жет составлять от 30 до 300 кг/м3, рабочие температуры материалов на основе базальто-вых волокон и оксида алюминия варьируют-ся от 1200 до 1700 °С, материалы на основе более тугоплавких оксидов имеют рабочие температуры выше 1700 °С. Радиус изгиба до разрушения варьируется от 30 до 600 мм в зависимости от материала волокон, плотно-сти и толщины материала.
На рисунке 3 представлены температур-ные зависимости коэффициентов теплопро-водности образцов гибких материалов с раз-личной плотностью, изготовленных на основе волокон оксида алюминия:
Жесткие теплозащитные материалы изго-тавливают из высокотемпературных волокон в виде блоков, и предназначены они для ис-пользования в качестве теплозащитного и теплоизоляционного материала в условиях непо-средственного воздействия теплового потока с массопереносом. Плотность материалов может составлять от 250 до 1000 кг/м3 при пори-стости от 50 до 94 %. Прочность при сжатии зависит от плотности материала и составляет 0,5 до 2,5 МПа. Коэффициент теплопровод-ности зависит от пористости в большей сте-пени, чем от состава материала, и составляет 0,3-0,6 Вт/(мК).
На рисунке 4 представлена типичная тем-пературная зависимость коэффициента тепло-проводности для материалов с пористостью 80-84 %. Материалы на основе различных тугоплавких оксидов имеют сопоставимые значения коэффициентов теплопроводности. Основным отличием материалов является их рабочая температура.
Рис. 4. Типичная температурная зависимость коэффи-циентов теплопроводности материалов на основе ту-гоплавких оксидов с пористостью 80÷84 %
Разработаны уплотнительные материа-лы, шнуры и оплетки из высокотемпературных волокон. Теплоизоляционные шнуры марки ВШТ предназначены для применения в качестве термического уплотнения, работающего в интервале температур от минус 130 до плюс 1200 °С, в том числе в качестве подвижного уплотнения с повышенной стойкостью к исти-ранию (рис. 5). Уплотнительные шнуры марки ВШУ-1 на основе наиболее термостойких во-локон предназначены для применения в каче-стве уплотнения соединений и теплоизоляции в различных тепловых установках и газотур-бинных двигателях с рабочей температурой до 1800 °С.
Рис. 5. Высокотемпературные уплотнительные шнуры марок ВШТ и ВШУ-1
Заключение
Приведен обзор современных достижений в области высокотемпературных теплозащит-ных, керамических и металлокерамических композиционных материалов для авиационной техники нового поколения.
Раскрыты основы современного подхо-да к разработке композиционных материалов и теплозащиты для авиационного машино-строения, который основан на многоуровневом цифровом моделировании на нано-, микро-, мезо- и макроуровнях, обеспечивает реали-зацию принципа неразрывности ？материал - технология - конструкция？.
Представлены основные свойства метал-локерамических композиционных материалов на основе легких сплавов алюминия и тита-на, тугоплавких металлических матриц с дисперсным упрочнением и армированием непре-рывными волокнами. Показаны разработки в области керамических композиционных ма-териалов с применением энергоэффективных технологий нового поколения. Проанализи-рованы основные достижения в области теп-лозащитных материалов на основе волокон тугоплавких оксидов, их свойства и области применения.
Рассмотрены высокотемпературные металлические композиционные материалы на основе матриц из железа, никеля, молиб-дена, ниобия, работоспособные в интервале температур от 1200 до 1600 °С. Показаны варианты повышения эксплуатационных ха-рактеристик высокотемпературных металли-ческих композиционных материалов и обозначены основные преимущества предложенных подходов.
На основании представленных дан-ных следует, что разрабатываемые во ФГУП ？ВИАМ？ материалы являются конкурен-тоспособными и по техническим характе-ристикам соответствуют мировому уровню разработок.
Авторы: Балинова Ю.А., Гращенков Д.В., Шавнев А.А., Бабашов В.Г., Чайникова А.С., Курбаткина Е.И., Большакова А.Н.
Материал предоставлен для публикации журналом "Вестник концерна ВКО "Алмаз - Антей"
Список литературы
↑1. Многоразовый орбитальный корабль ？Буран？ / Под ред. Ю. П. Семенова, Г. Е. Лозино-Лозинского и др. М.: Машиностроение, 1995.
↑2. Ивахненко Ю. А., Охотникова Ю. А., Тинякова Е. В. Теплозащитные материалы для космической техники // Труды РКК ？Энергия？ им. С. П. Королева. Серия 12. Вып. 1-2. Королев, 2012.
↑3. Стоякина Е. А., Курбаткина Е. И., Симонов В. Н. и др. Механические свойства алюмоматричных композиционных материалов, упрочненных частицами SiС, в зависимости от матричного сплава // Труды ВИАМ. 2018. № 2. С. 62-73. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2018- 0-2-8-8
↑4. Каблов Е. Н. Инновационные разработки ФГУП ？ВИАМ？ ГНЦ РФ по реализации ？Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года？ // Авиационные материалы и технологии. 2015. № 1. С. 3-33. https://doi.org/10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33
↑5. Каблов Е. Н., Светлов И. Л., Ефимочкин И. Ю. Высокотемпературные Nb-Siкомпозиты // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Серия ？Машиностроение？. 2011. № SP2. С. 164-173.
↑6. Мурашева В. В., Щетанов Б. В., Севостьянов Н. В. и др. Высокотемпературные MoSi композиционные материалы (Обзор) // Конструкции из композиционных материалов. 2014. № 2. С. 24-35.
↑7. Каблов Е. Н., Щетанов Б. В., Ивахненко Ю. А. и др. Перспективные армирующие высокотемпературные волокна для металлических и керамических композиционных материалов // Труды ВИАМ. 2013. № 2. Ст. 05. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 25.06.2016).
↑8. Щетанов Б. В., Гращенков Д. В., Ефимочкин И. Ю. и др. Монокристаллические волокна оксида алюминия для высокотемпературных (до 1400 °С) композиционных материалов // Технология машиностроения. 2014. № 10. С. 5-9.
↑9. Каблов Е. Н., Мубояджян С. А. Жаростойкие и теплозащитные покрытия для лопаток турбины высокого давления перспективных ГТД // Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч.-технич. сб. (приложение к журналу ？Авиационные материалы и технологии). М.: Наука, 2012. С. 60？70.
↑10. Критский В. Ю., Зубко А. И. Исследование возможности использования керамических авиационных подшипников скольжения нового поколения в конструкциях опор роторов газотурбинных двигателей // Двигатель. 2013. № 3. С. 24-26.
↑11. Сорокин О. Ю., Гращенков Д. В., Солнцев С. С. и др. Керамические композиционные материалы с высокой окислительной стойкостью для перспективных летательных аппаратов (Обзор) // Труды ВИАМ. 2014. № 6. Ст. 8. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2014-0-6-8-8
↑12. Kablov E. N., Grashchenkov D. V., Isaeva N. V., et al. Perspective high-temperature ceramic composite materials // Russian Journal of General Chemistry. 2011. Vol. 81. № 5. Р. 986-991.
27.08.2020