Перспективные функциональные композиционные материалы и покрытия для высокотемпературных областей применения

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-19-00117

НазваниеПерспективные функциональные композиционные материалы и покрытия для высокотемпературных областей применения

Руководитель Левашов Евгений Александрович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , г Москва

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова Самораспространяющийся высокотемпературный синтез, тугоплавкие соединения, керамика, покрытия, ионно-плазменное напыление, пропитка, жаростойкость, фазовый состав, структура, свойства.

Код ГРНТИ53.39.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на создание научных принципов и технических решений получения функциональных сверхтугоплавких композиционных материалов (СТКМ) на основе тугоплавких соединений (боридов, карбидов, силицидов) методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) из элементов с использованием твердофазных источников азота и газифицирующихся реагентов, а также магнийтермического восстановления, и покрытий (твердых, эрозионностойких, термостойких, теплопроводных, жаростойких, оптически прозрачных) на их основе. Будут синтезированы следующие композиции: - иерархически структурированные керамические материалы в системах HfB2/ZrB2–TaB2–Ti5Si3/TaSi2; HfB2/ZrB2–HfSi2/ZrSi2–MoSi2; HfB2/ZrB2–MoB–MoSi2; TaB2–TaC–TaN в виде консолидированных материалов, а также полученные из них методом ионно-плазменного осаждения функциональные покрытия; - узкофракционные микропорошки составов HfB2/ZrB2–TaB2–Ti5Si3/TaSi2; HfB2/ZrB2–HfSi2/ZrSi2–MoSi2; HfB2/ZrB2–MoB–MoSi2; TaB2–TaC–TaN и покрытия из них, полученные методом осаждения из растворов с последующей пропиткой; - армированная нановолокнами иерархически структурированная керамика составов TaSi2–SiC–Si3N4; TaSi2–TaB2–TaC–Si3N4; TaB2–AlN с повышенной трещинностойкостью в виде консолидированных материалов, включая мишени-катоды, а также полученные методом ионно-плазменного осаждения твердые, износостойкие, жаростойкие, оптически-прозрачные покрытия. Актуальность и научная новизна. Развитие ракетно-космической техники (РКТ), авиационного двигателестроения, морского транспорта и других отраслей современной промышленности связано с необходимостью повышения тактико-технических характеристик энергетических двигательных установок и теплонагруженных элементов, которые в существенной мере зависят от служебных свойств и надежности применяемых композиционных материалов и покрытий. Создание таких композиционных материалов и покрытий, расширяющих допустимый уровень теплового и эрозионного воздействия при сохранении функциональных свойств элементов конструкций, является чрезвычайно актуальной задачей современного материаловедения. Прежде всего, подобные СТКМ необходимы для изготовления теплонагруженных узлов перспективных прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД), жидкостных и твердотопливных ракетных двигателей (ЖРД и РДТТ), жаровых труб газовых турбин, острых ведущих кромок крыла, обтекателя, носовых конусов, критической части сопловых блоков. В процессе эксплуатации элементы таких конструкций подвергаются одновременному воздействию тепловых, механических, вибрационных нагрузок, эрозионных и коррозионных факторов. Следует отметить, что применение СТКМ обеспечивает повышение топливной эффективности двигательных установок, снижение уровня выбросов и акустического воздействия на окружающую среду. Покрытия на основе СТКМ перспективны для защиты критических элементов конструкций космических аппаратов (иллюминаторов, оптических датчиков ориентации, фотопреобразователей) от воздействия факторов космического пространства. Конструкционные материалы для использования в высокотемпературных окислительных средах, главным образом, представлены композициями на основе SiC и Si3N4, суперсплавами на основе Ni, Cr или Fe, углеродными материалами. Композиты на основе SiC обладают высокой стойкостью к окислению при температурах до 1600 °С, но им также присущи существенные недостатки: низкая стойкость при термоциклировании; низкая коррозионная стойкость к парам воды; резкое снижение стойкости к окислению в присутствии катионов и солей щелочных и щелочноземельных металлов; снижение механических свойств при интенсивном окислении. Кроме того, композиты на основе SiC и Si3N4 обладают низкой электропроводностью, что не позволяет их обрабатывать методом электроискрового резания и получать изделия сложной формы. Суперсплавы широко используются для работы при температурах до 1100 °С, при более высоких температурах они не применяются из-за склонности к ползучести и окислению. Углеродные материалы обладают высокими механическими свойствами в широком интервале температур, но склоны к интенсивному окислению при температурах выше 600 °С. Преодолеть указанные недостатки возможно с использованием СТКМ на основе боридов, карбидов и силицидов тугоплавких металлов (Zr, Hf, Mo, Ta). Для повышения эксплуатационных свойств этих материалов критически важной задачей является оптимизация их состава и микроструктуры. Жаростойкость карбидов и боридов переходных металлов определяется образованием защитного оксидного слоя, который выступает в роли диффузионного барьера. Однако при температурах выше 1100 °С образующиеся оксидные слои подвергаются интенсивному разрушению и теряют защитные свойства из-за фазовых переходов, интенсивного испарения, механического разупрочнения. Предотвратить их разрушение можно путем добавления кремнийсодержащих соединений, таких как SiC, MoSi2, Si3N4, ZrSi2, ТаSi2, что приводит к образованию слоя из SiO2 или боросиликатного стекла, которое сохраняет стабильность и защитные свойства вплоть до 2000 °C, а также обладает эффектом самозалечивания образующихся дефектов. Помимо повышения стойкости к высокотемпературному окислению, силицидные фазы также интенсифицируют спекание тугоплавких боридов и карбидов, повышают прочность в результате уменьшения остаточной пористости и модифицирования зеренной структуры керамики. Использование различных маршрутов синтеза позволит получить радикально различающиеся микроструктуры, при одном и том же соотношении фаз в композите. В рамках настоящего проекта впервые будут получены перспективные гетерофазные СТКМ в системах HfB2/ZrB2–TaB2–Ti5Si3/TaSi2; HfB2/ZrB2–HfSi2/ZrSi2–MoSi2; HfB2/ZrB2–MoB–MoSi2; TaB2–TaC–TaN, TaSi2–SiC–Si3N4; TaSi2–TaB2–TaC–Si3N4, TaB2–AlN. Керамики составов TaSi2-SiC-Si3N4, TaSi2-TaB2-TaC-Si3N4, TaB2-AlN, TaB2-TaC-TaN будут синтезированы с использованием твердофазных источников азота и газифицирующихся добавок, что обеспечит in situ образование нановолокон SiC, Si3N4, AlN непосредственно в волне горения при формировании структуры материалов. Будут изучены макрокинетические параметры горения и механизмы структуро- и фазообразования в волне горения систем Ta-Si-C-N, Ta-Si-B-C-N, Ta-Al-B-N, Ta-B-C-N, Mo-Si-Zr-B. Будет исследовано влияние армирования нановолокнами SiC и Si3N4 на свойства керамики. Ожидается, что созданные в проекте СТКМ будут обладать улучшенным комплексом физических и физико-механических свойств. Также в настоящем проекте впервые будут получены покрытия из комплексных СТКМ с использованием методов ионно-плазменного напыления (магнетронного и импульсного катодно-дугового осаждения). За счет армирования вискерами и нановолокнами упрочняющей фазы будут получены катоды-мишени с повышенной термостойкостью, что позволит проводить процесс напыления на более мощных режимах. Впервые методами реакционного и нереакционного ионно-плазменного напыления будут получены покрытия в системах Mo-Zr-Si-B-(С)-(N), Mo-Hf-Si-B-(C)-(N), Zr-Ta-Si-B-(C)-(N), Hf-Ta-Ti-Si-B-(C)-(N), Ta-Si-(C)-(N), Ta-B-(C)-(N), Ta-Si-B-(C)-(N), Ta-Al-B-(C)-(N). Впервые будет применён метод высокомощного импульсного магнетронного напыления (HIPIMS) с использованием мишеней-катодов на основе боридно/карбидно/силицидных композиций. Будут апробированы методы импульсного катодно-дугового испарения и высокочастотного магнетронного распыления. Ожидается, что покрытия будут обладать высокой твёрдостью в сочетании с упругим восстановлением свыше 50 %, стойкостью к ударно-динамическому воздействию, в том числе оптической прозрачностью в широком диапазоне длин волн. Комплексный подход к решению проблемы, включая оптимизацию химического состава и структурных характеристик материала, научно-обоснованный выбор наилучшего способа нанесения, позволит получить покрытия с высокой термической стабильностью и стойкостью к высокотемпературному окислению вплоть до температур 1700-2000 ºС.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Погожев Ю.С., Лемешева М.В., Потанин А.Ю., Рупасов С.И., Вершинников В.И., Левашов Е.А. Heretophase ceramics in the Hf-Si-Mo-B system fabricated by the combination of SHS and hot pressing methods Russian Journal of Non-Ferrous Metals, Vol. 60, No. 4, pp. 380–389 (год публикации - 2019)
10.3103/S1067821219040102

2. Потанин А.Ю., Воротыло С., Погожев Ю.С., Рупасов С.И., Логинов П.А., Швындина Н.В., Свиридова Т.А., Левашов Е.А. High-temperature oxidation and plasma torch testing of MoSi2-HfB2-MoB ceramics with single-level and two-level structure Corrosion Science, 158 (2019) 108074 (год публикации - 2019)
10.1016/j.corsci.2019.07.001

3. Воротыло С., Потанин А.Ю., Логинов П.А., Швындина Н.В., Левашов Е.А. Combustion synthesis of SiC-based ceramics reinforced by discrete carbon fibers with in situ grown SiC nanowires Ceramics International, 46 (2020) 7861–7870 (год публикации - 2020)
10.1016/j.ceramint.2019.12.005

4. Воротыло С., Левашов Е.А., Потанин А.Ю., Логинов П.А., Швындина Н.В. Features of synthesizing ceramic composites discretely reinforced by carbon fibers and SiC nanowires formed in situ in the combustion wave Russian Journal of Non-Ferrous Metals, Vol. 61, No. 5, pp. 559–570. (год публикации - 2020)
10.3103/S1067821220050168

5. Воротыло С., Пацера Е., Швындина Н., Рупасов С., Левашов Е. Effect of In situ grown SiC nanowires on the pressureless sintering of heterophase ceramics TaSi2-TaC-SiC Materials, Vol. 13, Issue 15, 3394 (год публикации - 2020)
10.3390/ma13153394

6. Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Сытченко А.Д., Потанин А.Ю., Воротыло С.А., Левашов Е.А. Mechanical properties and oxidation resistance of Mo-Si-B and Mo-Hf-Si-B coatings obtained by magnetron sputtering in DC and pulsed DC modes Surface & Coatings Technology, 403 (2020) 126373 (год публикации - 2020)
10.1016/j.surfcoat.2020.126373

7. Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Сытченко А.Д., Улан Н. Microstructure and erosion resistance of Mo-Si-B, Mo-Zr-Si-B, and Mo-Hf-Si-B coatings IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 934 (2020) 012050 (год публикации - 2020)
10.1088/1757-899X/934/1/012050

8. Курбаткина В.В., Пацера Е.И., Смирнов Д.В., Левашов Е.А. Synthesis features, structure, and properties of promising high-temperature ceramics in the Hf-Ta-B-Ti-Si system Russian Journal of Non-Ferrous Metals, Vol. 61, No. 6, pp. 691–703. (год публикации - 2020)
10.3103/S1067821220060140

9. Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Сытченко А.Д., Левашов Е.А., Лобова Т.А. Mechanical properties and heat resistance of Ta-Zr-Si-B-C-N coatings obtained upon the magnetron sputtering of the TaZrSiB target in Ar, N2, and C2H4 atmosphere Russian Journal of Non-Ferrous Metals, Vol. 61, No. 6, pp. 732–738. (год публикации - 2020)
10.3103/S1067821220060103

10. Воротыло С., Левашов Е.А., Курбаткина В.В., Пацера Е.И., Логинов П.А., Лопатин В.Ю., Орехов А.С. Theoretical and experimental study of combustion synthesis of microgradient ULTRA high-temperature ceramics in Zr-Ta-Si-B system Journal of the European Ceramic Society, Том: 41, Выпуск: 9, Страница: 4728-4746 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jeurceramsoc.2021.03.008

11. Бондарев А.В., Антонюк М.Н., Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Полкар Т., Штанский Д.В. Insight into high temperature performance of magnetron sputtered Si-Ta-C-(N) coatings with an ion-implanted interlayer Applied Surface Science, Том: 541, Номер статьи: 148526 (год публикации - 2021)
10.1016/j.apsusc.2020.148526

12. Сытченко А.Д., Левашов Е.А., Кирюханцев-Корнеев Ф.В. Structure and Properties of Ta–Si–N Coatings Produced by Pulsed Magnetron Sputtering Russian Journal of Non-Ferrous Metals, Vol. 62, No. 5, pp. 611–617. (год публикации - 2021)
10.3103/S1067821221050151

13. Сытченко А.Д., Кирюханцев-Корнеев Ф.В. Investigation of the influence of substrate materials on oxidation resistance of TaSi2 and Ta-Si-N coatings using SEM, EDS and GDOES methods Journal of Physics: Conference Series, Том 1758, Выпуск 1, Код 167452 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/1758/1/012040

Публикации