CC BY
121
УДК 667.637.232.2
Елизарова Ю.А., Захаров А.И.
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ
Елизарова Юлия Александровна, аспирант, инженер-технолог отдела по разработке лакокрасочных материалов и покрытий, АО «Композит», e-mail: elizarovaua@mail. ru
Захаров Александр Иванович, к.т.н., доцент, заведующий кафедрой общей технологией силикатов, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
В настоящее время развитие авиакосмической отрасли и техники специального назначения выявило чрезвычайно острую проблему отсутствия материалов, работоспособных при аэродинамическом нагреве высокотемпературными потоками воздуха до температур, превышающих 2000 ^ 2500 °С. Это приводит к необходимости создания высокотемпературных защитных покрытий для теплонагруженных частей летательных аппаратов. В статье приводятся сведения о составах и способах получения таких покрытий.
Ключевые слова: высокотемпературные материалы, защитные покрытия
HIGH-TEMPERATURE PROTECTIVE COATING
Elizarova Y.A., Zakharov A.I.
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
Now development of the aerospace industry and special purpose technique revealed extremely burning issue of lack of the materials efficient at aerodynamic heating by high-temperature air flows up to the temperatures exceeding 2000 ^ 2500 °C. It results in need of creation of the high-temperature protective coating for the thermally loaded of parts of aircraft. Information about structures and ways of receiving such coverings is provided in article.
Keywords: high-temperature materials, protective coating
Выбор материала покрытий для авиакосмической техники и способов их формирования на поверхности защищаемых деталей, в первую очередь, определяется условиями эксплуатации. Поэтому особое значение приобретает анализ особенностей воздействия внешней среды на разрабатываемые покрытия, что позволяет сформулировать ряд требований к ним[1-4]:
- сохранять функциональные свойства покрытия во время эксплуатации и в условиях хранения;
- отсутствие химического взаимодействия на границе подложка-покрытие с образованием нежелательных фаз;
- близость коэффициентов термического линейного расширения (КТЛР) покрытия и основы;
- иметь высокую степень черноты (излучательная способность, обеспечивающая увеличение тепловых потоков, снижающих температуру поверхности);
- высокая термостойкость;
- стойкость к окислению;
- не изменять радиотехнических параметров основного материала;
- сохранять адгезию к основному материалу.
Это приводит к необходимости
индивидуального подхода к формированию защитных покрытий на подложках разного происхождения. По типу формирования покрытия разделяют на однослойные и многослойные.
Многослойные покрытия представляют собой систему, в которой каждый слой выполняет свою функцию [5]:
- грунтовочный слой, основное назначение которого - препятствовать диффузионному «рассасыванию» покрытия при высокотемпературном взаимодействии с материалом подложки, а также нивелировать напряжения, возникающие из-за разности в КТЛР покрытия и защищаемого материала;
- основной слой, обеспечивающий надежную защиту от высокотемпературной газовой коррозии и эрозионного уноса защищаемого материала в широком диапазоне эксплуатационных условий;
- защитный слой, обладающий низкой реакционной способностью поверхности, контактирующей с диссоциированным и/или ионизированным потоком газа, по отношению к экзотермическим реакциям гетерогенной рекомбинации атомов кислорода, азота и водорода в пограничном слое.
Наиболее часто применяемыми материалами для защитных покрытий являются карбиды ^Ю, В4С, ггС, ТЮ, ТаС, ЖС), оксиды (АЬОз, 8102, ТЮ2, гг02, В20з, НГО2, Се02), нитриды ^N4, Т1К, ВК, АШ), бориды (ЛВ2, ггВ2, НВ2).
Термостойкость данных материалов существенно различается в условиях эксплуатации. Зависимость составов композиций от рабочих температур представлена на рис. 1 [6].
2100
2000
1900 1900
ШОО
1700 1750
1500
I-
2300
ч
А^СгАУй ЪЗц.Мо^СгЗ! Н®2-51С-31 ИВь*!^ Майи
_ (."осга&ы
ггВг-51С
Рисунок 1 - Зависимость состава композиций для получения высокотемпературных покрытий от температуры
эксплуатации.
Из рис. 1 видно, что максимальные температуры эксплуатации составляют 2000 - 2300 С. Наиболее эффективны композиции карбидов с боридами ^гВ2 - БЮ, 2гБ2 - С - БЮ, НВ2 - Б1С).
Наиболее широко при создании однослойных защитных покрытий на углеродных материалах (УМ) используются различные интерметаллические и металлокерамические бескислородные соединения и их композиции.
Один из методов формирования таких покрытий заключается в образовании на поверхности покрытий тугоплавких оксидных пленок соответствующих оксидов (Сг203, ТЮ2, А1 О , , ИГО , ZrО и др.), либо компонентов
2 3' 2' 2' 2 ^
покрытий в этих оксидах, образующих твердые растворы, либо комплексные оксиды (2Сг203 • БЮ2, МgO • А1203, 3А1203 • 2Б102, 2г02 • &02 и др.) с
высокой защитной способностью.
Но однослойные покрытия не отвечают ряду требований, предъявляемых к защитным покрытиям, таких как: высокие термо- и теплостойкость, стойкость к окислению, высокая степень черноты и т.д.
Поэтому в последнее время особое внимание уделяется разработке многослойных
многофункциональных покрытий, в которых однослойные покрытия чаще всего используются в качестве грунтовочного слоя.
Многослойные покрытия могут формироваться посредством реакционного синтеза стеклофазы на воздухе, капсулирующей исходные тугоплавкие добавки в глубь защищаемой подложки [7].
Авторы изобретений [8-10] предложили один из
методов формирования основного (жаростойкого) слоя покрытий, который заключается в использовании концепции недоокисленных покрытий. Метод основан на введении в состав основного слоя значительного количества неокисленных И-содержащих соединений, способных к стеклообразованию.
Также известен способ получения защитных покрытий, который заключается в формировании на поверхности изделия шликерного покрытия [11] на основе композиции, состоящей из смеси мелкодисперсных порошков углерода и инертного к кремнию наполнителя и полимерного связующего, нагреве изделия в парах кремния в замкнутом объеме реактора с последующей выдержкой и охлаждении.
Недостатком способа является большая шероховатость полученных защитных покрытий вследствие низкой дисперсности частиц порошкового наполнителя. Такие защитные покрытия неравномерны и обладают низкой сопротивляемостью к разрушению.
Активно применяются различные методы газотермического напыления порошкового материала, соответствующего конечному составу покрытия. Для увеличения эффективности защитного действия таких покрытий разработаны различные способы повышения их газоплотности. Один из достаточно эффективных способов включает введение в напыляемый порошок, содержащий преимущественно оксиды,
металлической добавки [12, 13].
Заключение
Анализ литературы показал, что наиболее высокотемпературоустойчивыми являются
покрытия на основе композиций карбидов с боридами. Чтобы покрытие отвечало предъявленным требованиям, необходимо использовать добавки, способствующие
образованию стеклофазы для залечивания трещин.
Подходы к созданию работоспособных материалов до 3000 °C в условиях окислительной среды не до конца ясны.
Список литературы
1. Астапов А.Н., Терентьева В.С.// Тепловые процессы в технике. -2014. - № 1. - Т. 6. - С. 2.
2. Терентьева В.С. Разработка многофункциональных защитных покрытий и технологии нанесения их на теплонапряженные элементы конструкций ГПВРД и ГЛА: дис. ... докт. техн. наук. - М.: МАИ, 1990.
3. Ковалев В.Л. Гетерогенные каталитические процессы в аэротермодинамике. М.: Физматлит, 2002,С 224.
4. Горский В.В., Носатенко П.Я. Математическое моделирование процессов тепло- и
массообмена при аэротермохимическом разрушении композиционных теплозащитных материалов на кремнеземной основе / Под ред. П.Я. Носатенко. М.: Науч. мир, 2008, С 256.
5. Астапов А.Н., Терентьева В.С. Обзор отечественных разработок в области защиты углеродсодержащих материалов от газовой коррозии и эрозии в скоростных потоках плазмы//Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - 2014. - №4 - С. 52-79
6. Ткаченко Л.А., Шаулов А.Ю., Берлин А.А. Защитные жаропрочные покрытия углеродных материалов// Неорганические материалы. - 2012. -Т. 48, № 3. - С. 261-271.
7. Сазонова М. В., Баньковская И. Б., Горбатова Г. Н., Филипович В. Н. // Неорганические материалы. - 1995. - № 8. - Т. 31. - С. 1072.
8. Патент РФ № 2189368, 20.09.2002.
9. Патент РФ № 2232738, 20.07.2004.
10. Патент РФ № 2253638, 10.06.2005.
11. Патент РФ № 2613220, 15.03.2017.
12. Бабин С.В., Хрипаков Е.В. // Научные труды МАТИ. - 2006. - Вып. 10. - С. 15
13. Бабин С.В., Хренов В.В. // Физика и химия обработки материалов. - 2007. - №3. - С. 5
