CC BY
14
Влияние примесей в составе покрытий, формирующих матрицы СККМ, армированных углеродными волокнами, на механические свойства композита (СККМ типа «Стекларм»)
Условный номер покрытия Содержание примесей оксидов металлов в составе покрытия, % (по массе) Оиз^ МПа ак, кДж/м2
1 Следы 350- -450 20-25
2 7-8% щелочноземельных 200- -250 8-10
3 До 6% щелочных+ до 12% щелочноземельных 65- -75 6
4 Более 5-7% щелочных 45- -60 2-3,5
Установлено, что структура и свойства определяются не только составом матрицы, но и технологическими параметрами высокотемпературного формообразования СККМ. Так, время выдержки гидросуспензии матричного состава перед изготовлением полуфабриката, температура и давление формирования стекломатрицы могут существенно повлиять на уровень механических характеристик СККМ.
При увеличении продолжительности «старения» гидросуспензии состава матрицы 1 (см. таблицу) с 2 до 55 ч происходит возрастание прочности композита, что можно объяснить выщелачиванием из объема стекломатериала матрицы в шликере легирующих компонентов, которые могут вступать в реакцию с углеродным волокном, улучшая адгезию на границе раздела фаз, увеличивая прочность получаемого СККМ. Однако в случае превышения концентрации этих компонентов на границе раздела фаз, они негативно воздействуют на углеродное волокно, нарушая его целостность, увеличивая адгезию, что приводит к снижению диссипации энергии и ведет к хрупкому характеру разрушения изделия. С увеличением температуры формования СККМ его прочность увеличивается, что объясняется повышением адгезии на границе раздела фаз вследствие более интенсивного образования пограничного слоя.
Накопленный опыт в материаловедении свидетельствует, что применение материалов, подобных композиту «Стекларм», для деталей авиационной и космической техники является задачей самого ближайшего будущего.
В настоящее время проводятся интенсивные исследования в области создания из стеклокерамического КМ теплонагруженных колец рабочих колес (рабочая температура до 800°С, разрушающее напряжение до 800 МПа) для перспективного компрессора высокого давления. Реализация результатов этих работ позволит существенно повысить тактико-технические характеристики летательных аппаратов.
УДК 678.026
С.С. Солнцев, В.А. Розененкова, Н.А. Миронова
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ТРУДНОДЕФОРМИРУЕМЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ
Проблемы безокислительного нагрева металла и применения технологических смазок до настоящего времени являются актуальными для специалистов различного профиля. Наряду с традиционным подходом к решению этих вопросов, на современном этапе уделяется внимание новым ресурсосберегающим технологиям, направленным на повышение качества, снижение отходов металла, трудо-, материало- и энергоемкости производства. Традиционно задачи безокислительного нагрева и использования технологических смазок решались изолированно друг от друга.
Специалистами* ВИАМ разработаны защитные технологические покрытия, использование которых позволяет реализовать метод безокислительного нагрева металла в сочетании с их преимуществами как высокотемпературных технологических смазок и теплоизоляционных покрытий. Особенностью защитных технологических покрытий является их способность обеспечивать после высокотемпературных нагревов такое же высокое качество поверхности металла, как и после обработки режущим инструментом или после нагрева в среде аргона. Кроме того, они не уступают по технологическим характеристикам самым высокоэффективным смазкам, а также работоспособны в широком интервале температур 750-1700°С. Преимущество защитных технологических покрытий состоит в том, что они формируются в процессе технологических нагревов под штамповку, прокатку или термическую обработку на заготовках и окончательно готовых деталях [1].
Одним из прогрессивных ресурсосберегающих процессов является технология изотермического деформирования высокопрочных сталей и сплавов в условиях сверхпластичности. Этот процесс особенно эффективен для высокопрочных сплавов на никелевой основе, в составе которых содержится большая доля упрочняющих фаз (свыше 30%), имеющих узкий диапазон температур горячей обработки давлением (70-80°С).
Изотермическая штамповка обеспечивает оптимальные условия деформирования таких сплавов. Условия, приближающиеся к изотермическим, могут обеспечить теплоизоляционные покрытия [2].
Известно, что высокими теплоизоляционными свойствами обладают пористые тканые материалы на основе волокон БЮ2, А1203, асбеста и др. При использовании этих материалов требуется разработка нетрадиционных методов нанесения и закрепления их на поверхности заготовок. Кроме того, такие материалы относительно дороги, так как в своем составе они содержат волокна [3].
В работе показана возможность получения принципиально новых покрытий на основе стекла и керамики. Отличительной особенностью данных покрытий является их низкая теплопроводность, которая обеспечивается высокой пористостью.
Эффективность теплоизоляционных покрытий на основе пеностекла обусловлена его низким коэффициентом теплопроводности при объемной массе 0,25-0,40 г/см3.
Пеностекло является грубодисперсной системой, где газообразная дисперсная фаза распределена в меньшей по объему дисперсной среде - стекломассе. Газовая фаза занимает в пеностекле 80-95% (стекловидная фаза соответственно 20-5%), в порокера-мике 50-60% (твердая фаза 50-40%).
В качестве материалов для синтеза теплоизоляционных поропокрытий были выбраны следующие компоненты: стекловидные фритты различной тугоплавкости, тугоплавкие окислы и соединения, в качестве газообразователей - углекислые соли щелочных и щелочноземельных металлов, карбиды и нитриды.
Изучено влияние газообразователей на процесс формирования пор, установлены их оптимальные количества: 1-3% - в стекловидных и 10-20% - в керамических покрытиях. Исследованы процессы торможения пенообразования в покрытии путем плакирования частиц газообразователя. Установлено, что плакирование задерживает процесс пенообразования на 2-3 ч, что позволит увеличить продолжительность прогрева крупногабаритных заготовок, не ухудшая структуры покрытия. Исследована морфология стекловидных поропокрытий. Установлено, что запредельные значения содержания газообразователя в покрытии приводят к увеличению размеров пор и неравномерности структуры и отрицательно влияют на теплоизоляционные свойства.
Отработана технология приготовления и нанесения покрытий. Толщина покрытия для теплоизоляции должна составлять не менее 3-5 мм. Указанная толщина покрытия обеспечивается благодаря применению связующего.
* Работы проводились под руководством д.т.н., профессора С.С. Солнцева.
Лучшие результаты получены с применением органических связок, которые хорошо закрепляют покрытие и не изменяют его физико-химических характеристик.
Оценка теплоизоляционных свойств покрытий проводилась сравнительными испытаниями замеров скоростей нагрева и охлаждения образцов без покрытия, с асбестом и поропокрытиями. В результате проведенных исследований разработаны составы и технология приготовления и нанесения теплоизоляционных покрытий ЭТП-7, ЭВТ-110Т, ЭВТ-26Т.
Так, скорость охлаждения заготовки из жаропрочного сплава ЭК79 с покрытием ЭТП-7 в интервале температур 1100-800°С составила 13 град/мин, с асбестом 16 град/мин, без покрытия 39 град/мин (рис.1).
Рис. 1. Скорость охлаждения заготовок из сплава ЭК79, полученных бе з технологических покрытий (о) и с покрытиями из асбеста (•) и ЭТП-7 (□)
2001____
0 8 16 24 32
Время, мин
Скорость охлаждения заготовки массой 10 кг из титанового сплава ВТ1 с покрытием ЭВТ-110Т в интервале температур 1000-800°С составила 10 град/мин, без покрытия 32 град/мин.
Было проведено исследование теплоизоляционного покрытия керамического состава в заводских условиях на Кулебакском металлургическом ПО на кольцевых заготовках из сплава ЭИ698. При сопоставлении результатов термометрирования, а также диаграмм пластичности колец без нанесения теплоизоляционного покрытия и с покрытием, получены поля распределения по сечению заготовок температуры и сопротивления деформации металла (рис. 2).
а) б)
Рис. 2. Диаграммы распределения температуры (а) и сопротивления деформации (б) при охлаждении кольца из сплава ЭИ698 (толщина заготовки 80 мм): 1, 2, 3, 4 - условные номера сечений от центра заготовки («0») к периферии
Исследования показали, что деформация колец без теплоизоляционного покрытия проходила в условиях неравномерного и невыгодного распределения технологических свойств по сечению кольца, что привело к неизбежному образованию дефектов.
Применение теплоизоляционного покрытия обеспечивает равномерное распределение температуры - в результате повышается уровень пластичности и деформируемости заготовки.
Покрытие марки ЭТП-7 внедрено на Кулебакском металлургическом ПО при осадке, прошивке и раскатке колец из жаропрочного сплава ЭИ698. Применение покрытия позволило получить точные штамповки и кольца с равномерной структурой сплава после нагрева, исключить из производства экологически вредный асбест.
Таким образом, в результате комплексного исследования процессов синтеза, морфологии, теплофизических и технологических свойств покрытий разработаны теплоизоляционные покрытия марок ЭТП-7, ЭВТ-110Т, ЭВТ-26Т для труднодеформируе-мых жаропрочных никелевых и титановых сплавов.
Применение покрытия позволило:
- уменьшить скорость охлаждения заготовки в 3-5 раз;
- получить стабильные механические свойства;
- повысить производительность труда на 30-50%;
- снизить массу штамповки на 20-30%;
- реализовать процесс изотермического деформирования в условиях сверхпластичности.
Разработанные покрытия внедрены на ряде предприятий авиационно-космической техники. Покрытия поставляются в готовом виде с техническим бюллетенем на применение.
ЛИТЕРАТУРА
1. Солнцев С.С. Защитные технологические покрытия и тугоплавкие эмали. - М.: Машиностроение, 1984, с. 220-241.
2. Августиник А.И. Керамика. - Л.: Стройиздат, 1975, с. 110-121.
3. Солнцев С.С., Розененкова В.А., Исаева Н.В., Швагирева В.В. Применение стек-локерамических материалов и покрытий в авиакосмической технике //В кн.: Авиационные материалы: Избранные труды 1932-2002. - М.: МИСИС, ВИАМ, 2002, с. 137-151.
