14.578.21.0044

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.

В настоящее время большое внимание уделяется созданию защиты высоконагруженных деталей летательных и космических аппаратов, подвергающихся нагреву и механическим нагрузкам при скоростном полете (более 5 Махов) в атмосфере. Это является приоритетной задачей для развития авиа космической отрасли, где носовые части ракет и лопатки газотурбинных двигателей подвергаются одновременно воздействию высоких температур и эрозионному воздействию диссоциированного воздуха. В качестве отдельных элементов конструкций все большее распространение получают углеродные волокна и изготовленный из них углерод-углеродный композиционный материал (УУКМ). При всех достоинствах (высокой удельной прочности, жесткости при низкой плотности и других) он активно окисляется кислородом.
Возникает потребность в защитном покрытии, способном работать при высоких температурах. Согласно критерию Кинджери значение коэффициента термостойкости тем выше, чем выше предел прочности покрытия при действии растягивающих напряжений, его теплопроводность и ниже коэффициент термического расширения (КТР) и модуль Юнга.
Кроме того, на термостойкость положительно влияет высокая теплоемкость при постоянном давлении cp, которая способствует сохранению материалом своей формы и строения при воздействии агрессивного теплового потока и отражать его, также отражению способствует образование стекловидных фаз в процессе эксплуатации.

Исходя из имеющихся требований и свойств материалов, в том числе теплопроводности, было принято решение использовать многослойное защитное покрытие из тугоплавких соединений с высоким коэффициентом теплопроводности в сочетании с невысоким значением коэффициента термического расширения (КТР).

Для успешной работы многослойного покрытия оно должно иметь высокую адгезию к подложке и не образовывать нежелательных фаз на границе с подложкой, иметь хорошее взаимодействия между слоями, не образовывать газообразных взрывающихся соединений или иметь защитную пленку, не позволяющую этим соединениям выделяться, согласование КТР между слоями, высокой отражательной способности и защиты от окисления.

Таким требованиям удовлетворяют покрытия на основе диоксида циркония, частично стабилизированного иттрием ZrO₂ – Y₂O₃ с нанесенным подслоем MeCrAlY, где Me – Ni, Co, также керамика, полученная алитированием поверхности с получением Al₂O₃, нанесением связующего слоя MeCrAlY и внешнего слоя ZrO₂ – Y₂O₃ [3], теплозащитное электропроводящее покрытие углеродных волокон и тканей из 15 весовых долей, % Ni-Cr  с 20 весовых долей, % ZrO₂ – Y₂O₃, 10 весовых, долей % NiAl и Al – 70 весовых долей, % (1).

Проведено нанесение адгезионного слоя ZrN методом ИПН и материала покрытий указанного состава методом АПН. В результате исследований выяснено на физико-механические свойства покрытия существенное влияние оказывает микроструктура покрытия (размер пор и их распределение, наличие микротрещин) и фазовое состояние полиморфных оксидов. В части образцов обнаружена смесь стабильной и метастабильной фаз, что приводит к возникновению напряжений в покрытии и как следствие трещин, отображенных в фотографиях СЭМ микроструктуры. Тем не менее, наличие MoSi₂, разлагающегося на оксид молибдена и кремнезем способно улучшить эксплуатационные свойства покрытия, несмотря на наличие мелких трещин и залечить появляющиеся в процессе работы, что было показано в процессе экспериментов. Также с увеличением доли дисилицида наблюдается более полная стабилизация одной из полиморфных модификаций, отсутствие трещин и увеличение ресурса работы. В покрытие (1) благодаря высокой стойкости к окислению оксида алюминия и пластичного оксида титана и модифицирующей добавки удается получить наилучший результат.

Полученные результаты проекта могут заинтересовать такие компании, как ОАО «РКК «Энергия» им. С.П. Королева, ФГУП ВНИИТС, ФГУП «НПЦ газотурбостроения «САЛЮТ» и др., работающие в сфере разработки и производства различных видов изделий для авиационной, военной, космической и атомной техники. В частности, на основе полученных данных индустриальный партнер заявки ООО “Завод технической керамики” (г. Апрелевка Московской области) разработал программу освоения производства новых типов низкотеплопроводной и жаростойкой керамики, что позволит внедрить новые технологические инструменты, использующие методы PVD и микродугового оксидирования. Это позволит в ближайшей перспективе освоить технологический процесс покрытия деталей ракетно-космических аппаратов многослойными наноструктурированными жаростойкими покрытиями с заданной пористостью слоев с улучшенными в 1.2-1.4 раза характеристиками и способствовать широкому внедрению новой технологии в промышленность.