Спосіб одержання самовідновлювального шару на деталі з композитного матеріалу вуглець/вуглець

Реферат: Для одержання самовідновлювального шару на деталі з композитного матеріалу на деталь наносять композицію, яка містить: суспензію колоїдного діоксиду кремнію, бор або сполуку бору у вигляді порошку, карбід кремнію у вигляді порошку і щонайменше один наджароміцний оксид. UA 103618 C2 (12) UA 103618 C2 UA 103618 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ОБЛАСТЬ ТЕХНІКИ Винахід стосується нанесення покриття для захисту від окислення деталей з термоструктурних композитних матеріалів, які містять вуглець. ПОПЕРЕДНІЙ РІВЕНЬ ТЕХНІКИ Термоструктурні композитні матеріали характеризуються своїми механічними властивостями, які роблять їх придатними для виготовлення конструктивних деталей, і своєю здатністю зберігати ці механічні властивості при високих температурах. Ці матеріали є волокнистим каркасом, ущільненим матрицею з жароміцного матеріалу, яка, щонайменше, частково заповнює пори волокнистого каркаса. Як утворювальні матеріали для волокнистого каркаса і матриці зазвичай вибирають вуглець або кераміку. Прикладами термоструктурних композитних матеріалів є композитні матеріали вуглець/вуглець (С/С) і композитні матеріали з керамічною матрицею (СМС), такі як С/SіC (каркас з вуглецевих волокон і матриця з карбіду кремнію) або C/C-SiC (каркас з вуглецевих волокон і змішана матриця з вуглецю і карбіду кремнію) або ж C/C-SiC-Si (композитний матеріал С/С, силіційований за допомогою реакції з Si). Термоструктурні композитні матеріали дуже часто містять вуглець, який або утворює волокна, або, щонайменше, частково утворює матрицю, або утворює пограничний шар на волокнах для забезпечення адекватного зв'язку з матрицею. Таким чином, необхідний захист від окислення для того, щоб уникнути швидкого руйнування деталей з таких композитних матеріалів при температурах вище 350 °С. Існує велика кількість літератури по формуванню покриттів для захисту від окислення деталей, щонайменше, частково виконаних з вуглецю або графіту. Для деталей з термоструктурних композитних матеріалів, що містять вуглець, зокрема, композитних матеріалів С/С, відоме формування захисного покриття з композиції, яка, щонайменше, частково містить бор, і, зокрема, композиції, що має властивості "самозаліковування" або самовідновлення. Під самовідновлювальною композицією мається на увазі композиція, яка за допомогою переходу у в'язкий стан при температурі використання деталей може заповнювати тріщини, які утворюються в покритті або в захисному шарі. В іншому випадку в окислювальній атмосфері такі тріщини створюють шляхи для доступу кисню з довкілля у композитний матеріал і його інфільтрації у залишкові пори матеріалу. В даний час зазвичай використовують такі самовідновлювальні композиції, як борне скло, зокрема, боросилікатне скло. В цьому відношенні можна посилатися на патентний документ US 4613522. Оксид B2O3 є суттєвим елементом борних захисних композицій. Він має відносно низьку температуру плавлення (приблизно 450 °С) і його присутність дозволяє забезпечувати адекватну здатність змочуваності вуглецевої поверхні, яка повинна належно захищатися. Коли умови експлуатації вимагають використання специфічних самовідновлювальних скловидних сумішей, рецептура яких дозволяє одержувати в'язкість згідно з очікуваним температурним діапазоном, комбінація цих сумішей з B2O3 суттєва для забезпечення безперервної захисної плівки на поверхні основи. Залежно від умов використання B2O3 може випаровуватися або поступово, починаючи з температури 500 °С (особливо у вологій атмосфері), або швидше при вищих температурах. При температурах вище 1100 °С це випаровування стає таким швидким, що ефективність захисних сумішей пропадає внаслідок втрати здатності до змочування навіть при дуже короткочасній експлуатації. Один із заходів для затримки повного зникнення B2O3 полягає в тому, щоб додавати в захисні покриття борид металів, здатний поступово регенерувати B2O3 по мірі його випаровування за допомогою окислення. У патентному документі US 5420084 описано захисне покриття, що дозволяє захищати від окислення, зокрема, деталі з композитного матеріалу С/С при температурах до 1350 °С. Це покриття утворене сумішшю дибориду цирконію ZrB2 і колоїдного діоксиду кремнію SiO2. Спосіб одержання захисного покриття для деталей з композитного матеріалу С/С відомий також з патентного документа US 6740408. Цей спосіб включає формування на деталях покриття, яке містить суміш порошку бориду, що є переважно диборидом титану TiB 2, з порошком жароміцного оксиду, який має властивість самовідновлення шляхом утворення силікатного скла і який переважно містить боросилікатну суміш (таку як порошок суміші SiO 2B2O3) і зі зв'язуючим, яке утворене полімером, що є попередником жароміцної кераміки (наприклад, полімер, вибраний з полікарбосиланів (PCS), попередників карбіду кремнію SіC; політитанокарбосиланів (PCTS)), причому попередник згодом перетворюється у кераміку. Диборид титану TiB2 є регенератором B2O3, оскільки у результаті його поступового окислення, починаючи з 550 °С, і швидшого окислення після 1100 ºС він компенсує втрату B 2O3, утворюючи B2O3+TiO2. Оксид TiO2 розподіляється в оксидах силікатного скла і сприяє збільшенню в'язкості, 1 UA 103618 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 зберігаючи свою здатність самовідновлення. За рахунок цього одержаний захисний шар забезпечує ефективний і довготривалий захист деталей з композитного матеріалу С/С, використовуваних у вологому середовищі при високих температурах. Проте ефективність захисту відомих покриттів з властивостями самовідновлення не забезпечується при температурах вище приблизно 1450 °С, навіть коли вони містять регенератори B2O3, такі як диборид титану TiB2 або диборид цирконію ZrB2. На практиці за межами температури 1450 °С спостерігається повне випаровування B2O3, у тому числі одержаного регенерацією. У цих умовах більше немає можливості формувати суцільну захисну плівку на поверхні деталі через недостатню змочуваність вуглецю. Втрата ефективності захисту при таких температурах тим більше, чим довше деталь піддається дії високої температури. Відносно просто було б створити скловидні суміші, здатні до розм'якшення, починаючи з температур вище 1450 °С, для виконання функції самовідновлення. Проте, на жаль, використання таких сумішей на цьому температурному рівні неможливе через відсутність в них B2O3, що приводить до втрати змочуваності захисної системи. Рішення, що зазвичай приймається в такому разі, полягає у нанесенні захисної суміші на поверхню з карбіду кремнію (SіC) замість вуглецевої поверхні. Це викликає необхідність виконання підстильного шару зчеплення з SіC, який одержується або шляхом реакції, коли забезпечують хімічну взаємодію кремнію з підлягаючою захисту вуглецевою поверхнею (Т