Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание нового поколения жаростойких тонкоплёночных материалов на основе нанокомпозитных, аморфных и многослойных структур

Номер контракта: 14.575.21.0001

Руководитель: Штанский Дмитрий Владимирович

Должность руководителя: в.н.с.

Докладчик: Кирюханцев-Корнеев Филипп Владимирович, с.н.с.

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
жаростойкость, нанокомпозитные и аморфные структуры, многослойные покрытия, окисление и термическая стабильность, термоциклирование, адгезионная прочность, углерод-углеродный композиционный материал, молибденовые и хромистые сплавы, мишени, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, горячее прессование, искровое плазменное спекание, магнетронное и ионное распыление, ионная имплантация.

Цель проекта:
Целью проекта является проведение комплекса проблемно-ориентированных прикладных исследований, направленных на исследование и разработки новых составов и технологии получения защитных покрытий с жаростойкостью свыше 1400С, обеспечивающих повышение эксплуатационных свойств углерод-углеродных композиционных материалов, а также сплавов на основе молибдена и хрома, работающих в условиях высокотемпературного окисления.

Основные планируемые результаты проекта:
Планируемые результаты работы: разработка покрытий на основе систем MoSiB(N) (c содержанием кремния свыше 45ат%) и ZrSiB(N), в том числе легированных Al, а также покрытий SiBC(N) с повышенной жаростойкостью и адгезионной прочностью, предназначенных для защиты поверхности ответственных изделий РКТ, работающих в условиях высокотемпературного воздействия; разработка экспериментальных образцов композиционных катодов-мишеней в системах Si-B-C, Mo-Si-B, Mo-Al-Si-B, Zr-Si-B, Zr-Al-Si-B с использованием технологий СВС- компактирования, горячего прессования, искрового плазменного спекания.
Планируется разработка: Лабораторных регламентов на процессы синтеза катодов-мишеней и нанесения защитных покрытий, ПМ испытаний катодных материалов и покрытий.
Планируется достигнуть следующие результаты:
а) для катодов-мишеней:
- диски диаметром 50 и 125 мм и толщиной 5-8 мм,
- прямоугольные сегменты шириной 75 и 90 мм и толщиной 6-8 мм
- предельное отклонение по геометрическим размерам, мм ±0,5
- Относительная плотность, % не менее 95
- Твердость, ГПа более 9
- Стойкость к термоциклированию (20-500-20-500-… °С),
кол-во циклов 300
- Концентрация примесей, вес. % менее 1,0
б) для защитных покрытий (ЗП):
- Толщина ЗП, h, мкм от 1 до 30
- Размер зерен в диапазоне температур 25-1200ºС, нм, не более 100
10
- Стойкость к высокотемпературному окислению не менее 10 часов, Т, °С 1200
- Стойкость к высокотемпературному окислению в течение 10 мин., Т, °С, более 1400
- Стойкость ЗП к термодиффузии (проникновению
металлических элементов из подложки при выдержке 1 ч), T, °С не менее 1100
- Стойкость ЗП к термоциклированию
(20-1000-20-1000-… оС), количество циклов не менее 50
- Твердость, Н, при индентировании на глубину < 200 нм, ГПа не менее 15
- Упругое восстановление, % не менее 40
- Предельная нагрузка при ударно-динамических
испытаниях длительностью 105 циклов, Н не менее 800
Параметры шероховатости поверхности ЗП
Ra, нм не более 15
Rz, нм не более 300

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В ходе реализации проекта получены защитные покрытия, предназначенные для высокотемпературных применений, в новых системах на основе боросилицидов молибдена и циркония, в том числе содержащих легирующие металлические и неметаллические добавки, а также борокарбида и борокарбонитрида кремния, обладающие толщиной не более 30 мкм, размером кристаллитов не более 100 нм в диапазоне температур 25-1200ºС, жаростойкостью на воздухе более 1400ºС. Кроме того конечным продуктом для последующего практического применения могут являться разработанные многофазные катодные материалы в системах Si-B-C, Mo-Si-B, Mo-Al-Si-B, Zr-Si-B, Zr-Al-Si-B, синтезированные по технологиям самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), горячего прессования, искрового плазменного спекания (SPS). Проект направлен на решение существующей проблемы повышения рабочих температур и срока эксплуатации различных изделий авиационной и ракетной техники за счёт нанесения защитных покрытий, при этом основное внимание уделено применению ионно-плазменных технологий осаждения, обладающих рядом преимуществ (низкая шероховатость поверхности, низкая концентрация внутренних дефектов, однородность и др.). Полученные результаты могут быть применены в комбинированных технологиях упрочнения (в частности вместе с распространёнными CVD технологиями), что позволит решить имеющиеся проблемы (например вскрытие углеродного волокна в процессе изготовления УУКМ или его эксплуатации) и выйти на принципиально новый уровень свойств. Применяемые при выполнении проекта материалы разработаны впервые в мире (катоды MoSiB(Al), ZrSiB(Al), покрытия MoSi(Al)B(N), ZrSi(Al)B(N)). Использовались новейшие технологии нанесения покрытий, что нашло отражение в разработанных ноу-хау. Повышение адгезионной прочности к подложкам из УУКМ, а также сплавам молибдена и хрома достигается использованием комплексных ионно-лучевых технологий очистки поверхности. Анализ имеющихся литературных данных свидетельствует о том, что по сочетанию характеристик (механические свойства, шероховатость, концентрация дефектов, равномерность, адгезионная прочность, стойкость к ударным циклическим нагрузкам, жаростойкость и т.д.) полученные покрытия превосходят известные тонкоплёночные материалы в близких системах Mo-Si-N, Mo-Si-B, Zr-Si-N, Zr-B-N, Mo-Al-N и др.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разработанные покрытия предназначены для ответственных узлов и деталей, двигателей и установок (термонагруженные элементы камеры сгорания и системы подачи топлива термокаталитических, плазменных, ядерных двигателей и ЖРДМТ коррекции орбиты КА), работающих в экстремальных условиях эксплуатации. Основное назначение разрабатываемых материалов касается защиты изделий из хромистых и молибденовых сплавов, углерод-углеродных композиционных материалов. За счёт внедрения полученных результатов могут быть достигнуты эффекты повышения срока службы и эксплуатационных характеристик различных деталей ракетно-космической техники, деталей газотурбинных двигателей, работающих в условиях воздействия паров воды и др. Помимо применения непосредственно разработанных покрытий возможно также внедрение разработанных керамических катодных материалов на производственных участках ионно-плазменного нанесения покрытий. Полученные результаты, включая разработанные составы покрытий и методы их нанесения, содержат новые технические решения и в перспективе будут применены при дальнейшей разработке слоистых защитных покрытий. Достигнутые результаты имеют высокий потенциал для влияния на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, о чём свидетельствует интерес к разработкам со стороны зарубежных вузов.

Текущие результаты проекта:
В 2015 г. проведены следующие работы: разработан проект лабораторного регламента на процесс получения ЗП, получены экспериментальные образцы защитных покрытий (ЗП) составов MoSiB(N) и ZrSiB(N) в том числе легированных Al, а также ЗП SiBC(N) на модельных подложках, подложках из УУКМ и цветных сплавов, разработана Программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов ЗП, проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов ЗП по разработанным ПМ, проведен анализ взаимосвязи между составом мишеней, режимами осаждения и составом, структурой, свойствами ЗП, выбраны оптимальные параметры напыления для обеспечения высокой адгезионной прочности ЗП к подложкам из УУКМ, цветным сплавам, сплошности и равномерности ЗП при обеспечении минимальной шероховатости, проведены дополнительные патентные исследования по обоснованию целесообразности правовой охраны объектов интеллектуальной собственности, изготовлены экспериментальные образцы ЗП с использованием ионно-плазменных технологий с различной комбинацией слоев, с учетом оптимизации процессов напыления, разработан Лабораторные регламенты на процессы изготовления образцов катодов-мишеней с помощью СВС, горячего прессования, SPS, на процесс получения ЗП, проведена оценка эффективности полученных результатов по сравнению с современным научно-техническим уровнем, подготовлен проект ТЗ на ОТР.
Результаты исследований показали, что разработанные покрытия обладают сочетанием высоких механических свойств (твёрдость в диапазоне 15-40 ГПа) и высокой адгезионной прочностью к различным типам подложек (критическая нагрузка >50Н) с высокой термической стабильностью, жаростойкостью (до 1600°С) и стойкостью к термоциклированию. По сочетанию свойств покрытия превосходят имеющиеся мировые аналоги.
По результатам работы в 2015 г опубликованы 3 статьи и зарегистрированы 2 ноу-хау:
1. Ph. V. Kiryukhantsev-Korneev et al. Structure and Properties of Nanocomposite Mo–Si–B–(N) Coatings. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces, 2015, Vol. 51, No. 5, pp. 794–802
2. Ph. V. Kiryukhantsev-Korneev et al. Investigation of the Si–B–C–N Coatings Deposited Using Magnetron Sputtering of SiBC Targets. Russian Journal of Non-Ferrous Metals, 2015, Vol. 56, No. 5, pp. 540–547.
3. Potanin et al. Silicon carbide ceramics SHS-produced from mechanoactivated S-C-B mixtures. International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 24 (2015) 119-127
4. Ноу-хау «Способ нанесения жаростойких покрытий в системе Si-B-C-N» Зарегистрировано в Депозитарии ноу-хау Отдела защиты интеллектуальной собственности № 19-340-2015 ОИС от 02 июня 2015 г. Авторы: Е.А. Левашов, Д.В. Штанский и др.
5. Ноу-хау «Твердые нанокомпозитные покрытия, обладающие высокой жаростойкостью при температурах до 1500оС, и способ их нанесения». Зарегистрировано в Депозитарии ноу-хау Отдела защиты интеллектуальной собственности № 18-340-2015 ОИС от 02 июня 2015 г. Авторы: Е.А. Левашов, Д.В. Штанский и др.