КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2007 года по МПК C04B35/80 C04B35/577 

Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении узлов и деталей горячего тракта ГТД, например уплотнительных колец газо- и нефтеперекачивающих станций, втулок, клапанов теплообменников, рекуператоров, работающих при температурах до 1500°С, в машиностроении и авиационно-космической технике.

Известен композиционный керамический материал, имеющий химический состав, мас.%:

Внутренний слой

SiC0-70Si0-30С20-100В₄С0-20

Внешний слой

SiC20-100Si0-30С0-80Si₃N₄0-20В₄С0-20

(заявка Германии №10222258).

Известный композиционный керамический материал может быть использован для изготовления износостойких деталей, например тормозных шайб.

Недостатком указанного композиционного материала и изделий из него является низкая жаростойкость на воздухе при воздействии температуры выше 900°С.

Широко известны также композиционные материалы типа «SiC-SiC», армированные тканными и непрерывными волокнами SiC. При исследовании характеристик разрушения таких композиционных материалов при температурах 25-1127°С на воздухе выявлено падение прочности на растяжение с 140 МПа при 527°С до 41 МПа при 927°С, при этом наибольшее снижение прочности наблюдалось при 1127°С. Температурная зависимость прочности и поведения при разрушении композиционных материалов обусловлена изменением свойств компонентов композиционного материала при воздействии температуры.

Известен композиционный материал, армированный волокнами SiC с керамической матрицей, содержащей SiC в виде кристаллов в количестве до 70 мас.% и гранулы SiC из синтетического композиционного нанопорошка (заявка Франция №2849022).

Недостатком указанного композиционного материала и изделий из него является низкая жаростойкость на воздухе при воздействии температуры выше 1200°С.

При исследовании процесса окисления композиционных материалов типа «SiC-SiC» (на основе матрицы SiC и непрерывных волокон SiC) на воздухе при температуре 1500°С в течение длительного времени выявлено образование защитной аморфной пленки SiO₂ и пузырьков газообразных продуктов окисления, приводящих с течением времени к потере массы композиционного материала, обусловленной деструкцией защитной пленки с образованием кристобалита, вызывающего необратимые объемные изменения, приводящие к растрескиванию защитной пленки и деградации композиционного материала.

Известен спеченный керамический материал, имеющий следующий химический состав, мас.%:

SiC60-94AlN0,5-20С2-20

(патент Германии №3543708)

Известный спеченный материал применяют в качестве конструкционного материала для изготовления, например, нагревательного элемента при рабочих температурах до 1400°С.

Недостатком материала являются недостаточная жаростойкость (высокая убыль массы) при температуре 1500°С на воздухе, что приводит к ухудшению его прочности и разрушению материала.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, состоящую из карбида кремния, бора и пироуглерода, распределенного в ее объеме и на поверхности материала при следующем соотношении компонентов в матрице, мас.%:

SiC10-50В0,5-1,2С (пироуглерод)остальное

(патент РФ №2203218)

Композиционный материал-прототип может быть использован при изготовлении изделий, например уплотнительных колец, работающих в агрессивных средах и на воздухе при температуре 900°С в течение 1 часа.

Недостатком композиционного материала-прототипа и изделий из него являются недостаточная жаростойкость (высокая убыль массы) при температуре 1500°С на воздухе, что приводит к ухудшению его прочности и разрушению материала.

Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение жаростойкости композиционного материала и изделий, выполненных из него при рабочей температуре 1500°С, и сохранение исходной прочности после ее воздействия.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую карбид кремния, углерод, при этом матрица дополнительно содержит кремний, тетраборид кремния при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:

Si20-35С25-40SiB₄2-6SiCостальное

и изделие, выполненное из него.

Авторами установлено, что дополнительное введение в матрицу кремния и тетраборида кремния позволяет повысить жаростойкость (снизить убыль массы) изделий из композиционного материала, например сегментов камеры сгорания, за счет образования боросиликатной стеклосвязки при воздействии кислорода воздуха, обеспечивающей закупорку возможных микродефектов матрицы в виде микротрещин, пор и т.п, и, тем самым, сохранить исходную прочность изделий после воздействия рабочей температуры 1500°С.

ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Для получения композиционного материала были приготовлены пять композиций предлагаемого материала (1-4) и композиционного материала-прототипа (5), соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1.

Дисперсные частицы матрицы карбида кремния, кремния, углерода (SiC, Si, С) смешивали с частицами тетраборида кремния (SiB₄) и углеродными волокнами в полиэтиленовых барабанах. В качестве углеродного волокнистого материала использовали углеродные волокна УКНП-5000.

Полученную смесь засыпали в пресс-форму и прессовали при температурах 120-150°С. Затем пресс-заготовки подвергали высокотемпературной термообработке в вакуумной печи при температуре 1500°С.

В таблице 2 представлены свойства полученных образцов композиционного материала в сравнении с прототипом.

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что жаростойкость предлагаемого композиционного материала и изделий, выполненных из него, в 7-8 раз выше по сравнению с композиционным материалом-прототипом, который теряет часть углерода армирующего наполнителя, что приводит к потере прочности и его разрушению после испытаний при 1500°С в течение 100 часов.

Привес массы образцов (1,8-3,1 мас.%), связанный с окислением тетраборида кремния и образованием боросиликатной стеклосвязки при нагревах на воздухе при температуре 1500°С, подтверждает наличие защитного эффекта матрицы предлагаемых составов композиционного материала, предотвращающего диффузию кислорода воздуха вглубь образца и препятствующего окислению рубленого углеродного армирующего волокна. Практически сохраненная исходная прочность изделий после воздействия рабочей температуры 1500°С (120-150 МПа) указывает на способность композиционного материала к самозалечиванию за счет образования боросиликатной стеклосвязки при воздействии кислорода воздуха, обеспечивающей закупорку возможных микродефектов матрицы в виде пор и микротрещин.

Предлагаемый композиционный материал позволяет увеличить жаростойкость при рабочей температуре 1500°С и повысить надежность и ресурс изделий из него.

Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении узлов и деталей горячего тракта газотурбинных двигателей, например уплотнительных колец газо- и нефтеперекачивающих станций, втулок, клапанов теплообменников, рекуператоров, работающих при температурах до 1500°С, в машиностроении и авиационно-космической технике. Технический результат изобретения - увеличение жаростойкости композиционного материала и изделий, выполненных из него при рабочей температуре 1500°С, и сохранение исходной прочности после ее воздействия, что позволяет повысить надежность и ресурс изделий. Композиционный материал содержит углеродные волокна и матрицу, включающую карбид кремния, углерод, кремний и тетраборид кремния при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%: Si 20-35, С 25-40, SiB₄ 2-6, SiC - остальное. Изделие выполнено из указанного композиционного материала. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

1. Композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую карбид кремния, углерод, отличающийся тем, что матрица дополнительно содержит кремний и тетраборид кремния при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:

Si20-35С25-40SiB₄2-6SiCОстальное