Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка многослойных наноструктурированных жаростойких материалов и покрытий на их основе с заданной пористостью слоев для элементов ракетно-космической техники.

Номер контракта: 14.578.21.0044

Руководитель: Кузнецов Денис Валерьевич

Должность: Заведующий кафедрой

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
Презентация скачать
Ключевые слова:
многослойные покрытия, наноструктура, жаростойкие материалы, керамика, пористость, ракетно-космическая техника, моделирование технологии

Цель проекта:
Реализация проекта направлена на решение проблемы обеспечения эффективной защиты поверхности крупногабаритных элементов РКТ от высокотемпературного воздействия. Целью реализуемого проекта является обеспечение работоспособности неохлаждаемых теплонапряжённых элементов конструкций ракетно-космической техники из керамических и углерод-керамических композиционных материалов с помощью организации эффективной многоуровневой защиты их поверхности, разработка новой комбинированной технологии на основе методов физического осаждения из газовой фазы и микродугового оксидирования для создания многослойных наноструктурированных жаростойких покрытий с заданным содержанием пористости, разработка прототипа системы компьютерного моделирования теплофизических и термомеханических свойств многослойных наноструктурированных жаростойких покрытий. Реализация проекта позволит создать современные теплозащитные элементы конструкций высокоскоростных летательных аппаратов и ракетно-космической техники, а также их энергетических систем.

Основные планируемые результаты проекта:
На основе тестовых экспериментов и теоретического моделирования будут обоснованы и разработаны методы получения пористых и градиентных термостойких керамических композиционных материалов и многослойных наноструктурированных покрытий на их основе.
 В ходе работы будут проведены исследования, направленные на повышение работоспособности неохлаждаемых теплонапряженных элементов конструкций ракетно-космической техники из керамических, углерод-керамических и углерод-углеродных композиционных материалов с помощью организации эффективной многоуровневой защиты их поверхности.
Будут разработаны методы и средства испытания теплозащитных материалов в условиях теплового конвективного, лучистого и конвективно-лучистого воздействия, реализуемых на до- и сверхзвуковых высокотемпературных газодинамических стендах. Будут разработаны программы и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов и элементов конструкций РКТ.
Расчеты будут проводиться с привлечением современных моделей тепломассопереноса (с учетом радиационно-кондуктивной теплопередачи) в анизотропных композитных средах и с использованием подходов механики композиционных материалов. Будет создана математическая модель для прогноза теплофизических и термомеханических свойств пористых и градиентных высокотемпературных композиционных материалов и многослойных покрытий на их основе, исследуемых в проекте. На основе предложенных моделей будут разработаны прототипы программных компонентов для создания системы компьютерного моделирования теплофизических и термомеханических свойств высокотемпературных композиционных материалов и покрытий. Для оптимизации разрабатываемой технологии будет проведено моделирование и оптимизация исследуемых материалов и покрытий с целью разработки методов повышения их эксплуатационных характеристик за счет подбора оптимальной структуры и состава.

В процессе работу будут изготовлены и испытаны экспериментальные образцы и типовые элементы конструкций РКТ с использованием теплозащитных пористых и градиентных керамических композиционных материалов и покрытий на их основе.
В ходе исследовательских испытаний будет проверено соответствие разработанных технических решений требованиям ТЗ, в том числе будет продемонстрирована работоспособность экспериментальных образцов и типовых элементов конструкций РКТ, выполненных на основе разработанных материалов, в условиях нестационарного воздействия высокоэнтальпийных сверх- и гиперзвуковых потоков кислородсодержащей плазмы при температурах на конструкционной стенке до Tw= 2100 оС не менее 20с. Будут определены характеристики предельной термостойкости керамических теплозащитных материалов (температура поверхности, размерная и безразмерная скорость уноса массы) при различных уровнях тепловых потоков (энтальпий и давлений торможения) и конвективном, лучистом и конвективно-лучистом тепловом воздействии. Будет проверяться соответствие разработанных моделей и получаемых экспериментальных данных, и корректность выданных рекомендаций к составу и структуре материалов.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В результате выполнения работ будет разработан лабораторный технологический регламент получения экспериментальных образцов и элементов конструкций РКТ на основе пористых и градиентных термостойких керамических композиционных материалов и многослойных наноструктурированных покрытий
на их основе, сочетающий технологии микродугового оксидирования поверхности и физического осаждения из газовой фазы.
Будут разработаны технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера ООО "Завод технической керамики" (ООО "ЗТК"). Будет разработан проект технического задания на проведение ОКР по теме: “Разработка промышленной технологии и опытно-промышленного участка по нанесению наноструктурированных жаростойких покрытий на элементы конструкций ракетно-космической техники”. Результаты проекта лягут в основу патента на технологию нанесения жаростойких и теплозащитных покрытий комбинированным методом PVD-МДО и подбор оптимального состав и пористости жаростойких покрытий. Кроме того, будет получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ, разработанной в процессе выполнения проекта для моделирования и оптимизации состава и технологии нанесения исследуемых покрытий и теплозащитных материалов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Области применения ожидаемых результатов связаны с созданием современных теплозащитных элементов конструкций высокоскоростных летательных аппаратов и ракетно-космической техники, а также их энергетических систем. Разрабатываемые покрытия возможно будет использовать в качестве верхнего жаростойкого слоя для конструкционных и материалов, выполненных на основе жаростойких сплавов или углерод-углеродных композитов и функциональных материалов (плиток) из высокопористой керамики.
В результате выполнения работ запланировано 3 патентных заявки на технологии создания жаростойкого покрытия на пористых углеродных теплозащитных материалах.
Разрабатываемая технология на основе комбинации методов физического осаждения из газовой фазы и микродугового оксидирования поверхности позволит обеспечивать эффективную защиту поверхности даже крупногабаритных элементов РКТ, и при этом не будет требовать значительного перевооружения существующих производств и потенциальных потребителей разработанной технологии из аэрокосмической отрасли. Кроме того, выполнение проекта будет способствовать дальнейшему развитию исследований теплозащитных материалов и повысит возможности привлечения дополнительного финансирования.

Текущие результаты проекта:
Проведён аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, показавший целесообразность разработки нового метода нанесения покрытий на поверхность углерод/углеродных композиционных материалов, отвечающего всем требованиям эксплуатации космических аппаратов. Выявлено, что также следует рассмотреть возможность использования материалов на основе терморасширенного графита в качестве материала теплоизоляции. Проведённые патентные исследования также показали перспективность направления исследования. На основе собранной информации при подготовке аналитического обзора современной литературы была дана сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований. Был проведён анализ существующих физических и математических моделей материалов и элементов теплозащиты ракетно-космической техники. Выявлены наиболее актуальные, апробированные и достоверные методы моделирования, применяемые при разработке современных материалов и элементов теплозащиты РКТ. Определён перечень проблем, требующих привлечение методов математического моделирования, при создании новых теплозащитных покрытий, материалов и конструкций. На основе методов математического моделирования были разработаны требования к теплофизическим параметрам компонентов покрытий. Важной частью работ первого этапа являлась разработка методик анализа важнейших физикохимических параметров компонентов жаростойких покрытий и теплозащитных материалов. Проведенные на базе комплекса разработанных методик экспериментальные исследования позволили определить ключевые характеристики материалов, определяющие эффективность их использования при создании элементов РКТ. Проведенные в рамках этапа работы по нанесению покрытий методами газофазного осаждения и микродугового оксидирования позволили подтвердить целесообразность выбранных методов исследований и технологий получения защитных покрытий.
Осуществлена разработка математической модели для прогноза теплофизических и термомеханических свойств жаростойких покрытий и теплозащитных материалов. Для моделирования и прогнозирования теплофизических и термомеханических характеристик образцов с покрытиями предложен ряд физических моделей. Сформулирована модель расчета теплового состояния образцов, учитывающая теплоперенос при фильтрации газовой смеси в порах подложки, а также учитывающей лучистый теплообмен с нагретых поверхностей образца и лучистую составляющую теплопередачи в высокопористых материалах.
Сформулированные модели в упрощенной постановке (на данном этапе) верифицируются в расчетах для различных вариантов структур керамических покрытий и углеродных подложек, выбранных и полученных в экспериментальной части работ по проекту.
Осуществлена разработка метода получения лабораторных образцов жаростойких покрытий с использованием процессов газофазного осаждения и микродугового оксидирования. Показана возможность нанесения покрытий сложной геометрической конфигурации с постадийным нанесением методом PVD металлических покрытий на основе алюминия и титана с последующим их окислением методом МДО. Также проведены исследования по нанесению покрытий методом газоплазменного напыления из жаростойких соединений на основе оксидов ZrO2 , Y2O3, La2O3, HfO2. Разработаны методы получения лабораторных образцов теплозащитных материалов с использование силицирования и газофазной пропиткой карбидом тантала, равномерно плакирующим волокна углерода теплозащитного материала. На основании разработанных методик были получены лабораторные образцы для проведения экспериментальных исследований.
Разработан комплекс программ и методик исследовательских испытаний лабораторных образцов жаростойких покрытий и теплозащитных материалов, который будет активно использоваться при проведении работ по следующим этапам. Проведены исследовательские испытания лабораторных образцов жаростойких покрытий и теплозащитных материалов. Осуществлен выбор оптимальных технологических режимов процессов получения жаростойких покрытий и теплозащитных материалов индустриальным партнером.
В рамках работ, финансируемых из внебюджетных источников, проведены экспериментальные исследования и оптимизация параметров технологического процесса получения жаростойких покрытий и теплозащитных материалов с увеличенной площадью поверхности. Произведены заготовки теплозащитных материалов и жаростойких покрытий. Проведены экспериментальные исследования по созданию наноструктурного градиентного слоя на поверхности теплозащитных материалов для нанесения жаростойких покрытий.
В ходе работы были предложены и апробированы методики оценки ключевых параметров теплозащитных материалов и жаростойкий покрытий. Результаты исследований показателей открытой пористости позволили установить, что средний размер открытых пор составляет менее 0.5 мм, доля открытых пор составляет около 30 %. Показатель теплопроводности теплозащитных материалов находится в диапазоне менее 1 Вт/мК. Полученные жаростойкие покрытия являются многокомпонентными и по данным рентгеновского анализа характеризуются наличием нескольких различных тугоплавких фаз с характерными размерами структурных элементов не более 150 нм. Получаемые покрытия характеризовались толщиной не менее 70 мкм по данным микроиндентирования, что было подтверждено данными электронной микроскопии. Таким образом, полученных образцы жаростойких покрытий и теплозащитных материалов характеризуются комплексом характеристик, отвечающих требованиям ТЗ и позволяющим осуществить эффективное выполнение работ по созданию наноструктурных многослойных жаростойких материалов, запланированных на третий этап.
Высокий мировой научный уровень разработанных подходов обеспечивается оригинальными сочетаниями различных методик нанесения покрытий и модифицирования материалов теплозащиты, позволяющими осуществлять качественное управление составом и структурой покрытий, в отличие от традиционного используемых подходов, ориентированных на использование одной из методик (газофазной и жидкофазной) нанесения и регулирование только химического состава покрытий.