Введение к работе
Актуальность темы
Форсирование режимов работы авиационных и ракетных двигателей приводит к тому, что система охлаждения наиболее теплонапряженных элементов этих агрегатов (лопатки газотурбинного двигателя (ГТД), стенки камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя (ЖРД)) начинает работать так, что охлаждающая жидкость оказывается на грани закипания и может привести к аварийной ситуации. Для решения проблемы применяют теплозащитные покрытия (ТЗП), обладающие повышенным тепловым сопротивлением. В качестве материала ТЗП часто используют диоксид циркония, имеющий из всех высокотемпературных материалов самый низкий коэффициент теплопроводности (до 2 Вт/(мК)) и являющийся химически стойким соединением с температурой плавления 2680 С. Уменьшение теплопроводности позволит увеличить тепловое сопротивление ТЗП и уменьшить тепловой поток, снимаемый охлаждающей жидкостью, а также позволит уменьшить толщину самого покрытия и, соответственно, массу защищаемой детали. Вместе с тем, при тепловых нагрузках может происходить разрушение покрытия, в основном, из-за разницы коэффициентов термического расширения (КТР) диоксида циркония и материала защищаемого изделия. Кроме того, пористый диоксид циркониевый слой не является барьером для кислорода, что может приводить к окислению поверхности защищаемого изделия. В связи с этим, актуальным является создание слоистых композиционных теплозащитных покрытий с пониженным коэффициентом теплопроводности, стойких к термоциклированию.
Исследования в области теплозащитных покрытий на основе диоксида циркония были и остаются актуальными в ведущих научных центрах, таких как ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ, ИМЕТ РАН, ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» и др. Наряду с развитием традиционных газотермического и электронно-лучевого методов получения ТЗП, проводятся поисковые работы по новым методам их нанесения.
Целью работы является разработка и исследование слоистых покрытий с низким коэффициентом теплопроводности на основе диоксида циркония.
Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:
-
Провести анализ методов получения и свойств покрытий на основе диоксида циркония для обеспечения защиты теплонапряженных узлов авиационной и ракетно-космической техники (РКТ).
-
Получить диоксид циркониевые покрытия несколькими методами и провести сравнительный анализ их структуры и свойств.
-
Разработать методику оценки коэффициента теплопроводности покрытий при температурах выше 1000С и исследовать их теплофизические характеристики и термоциклическую стойкость покрытий.
-
Провести эксперименты с целью увеличения трещиностойкости ТЗП при термоциклических испытаниях без нанесения промежуточных слоев.
-
Провести нанесение покрытий на подложки из используемых в РКТ материалов методом, позволяющим получать покрытия с наиболее низкой теплопроводностью.
6. Исследовать термоциклическую стойкость и структурные изменения,
произошедшие в покрытиях после тепловых испытаний.
Методология и методы исследования. Для получения покрытий в работе выбраны методы микродугового оксидирования (МДО) и плазменного напыления в динамическом вакууме. Для исследований покрытий использовали оптическую и растровую электронную микроскопию, рентгено структурный анализ, спектрометрию ядерного обратного рассеяния протонов, рентгеновскую фотоэлектронная спектроскопию, а также специально созданные методики, апробированные на эталонах.
Научная новизна работы
1. Найдено, что диоксид циркониевые покрытия, получаемые методом микродугового оксидирования, обладают теплопроводностью в 5-6 раз меньше, чем в компактном диоксиде циркония при температурах более 1000 С и высокой термоциклической стойкостью, что позволяет их использовать
в качестве теплозащитных покрытии.
-
Экспериментально найдена возможность частичной и полной стабилизации высокотемпературных фаз в диоксид циркониевом покрытии, получаемом методом микродугового оксидирования. Найдено, что добавка в электролит ~ 5 г/л нанопорошка оксида иттрия приводит к образованию высокотемпературной тетрагональной фазы диоксида циркония, обеспечивающей наибольшую стойкость теплозащитного покрытия.
-
На основе метода микродугового оксидирования получена слоистая структура теплозащитного покрытия, состоящего из связующих плотных и теплозащитных пористых металлических и керамикоподобных слоев для защиты материалов теплонапряженных узлов авиационной и ракетно-космической техники
-
Получено плазменное покрытие в динамическом вакууме с нано структурными прослойками, позволяющее обеспечить высокую термоциклическую стойкость теплозащитного покрытия. Экспериментально показано, что образование нано структурного покрытия происходит с использованием сверхзвукового течения с разрежением (течение Прандтля-Майера).
Теоретическая и практическая значимость работы:
- разработаны основы технологии получения теплозащитных покрытий на
основе диоксида циркония методом микродугового оксидирования на материалах,
используемых в РКТ;
- найдены режимы обработки, позволяющие стабилизировать
высокотемпературные фазы в диоксид циркониевых МДО-покрытиях;
- разработана методика оценки пористости покрытий с помощью метода
спектрометрии ядерного обратного рассеяния протонов;
- разработана методика проведения термоциклических испытаний и
определения коэффициента теплопроводности ТЗП при повышенных (1000 -^
1600С) температурах;
- проведена расчетная оценка условий образования наночастиц из паровой
фазы напыляемого материала в течении Прандтля — Майера;
- разработаны основы технологии наноструктурирования плазменных
покрытий, получаемых в динамическом вакууме, позволяющей обеспечить их
стойкость при термоциклических нагрузках.
На защиту выносятся следующие положения
-
Структурные характеристики диоксид циркониевых покрытий, получаемых методом микродугового оксидирования.
-
Режимы стабилизации высокотемпературных фаз диоксид циркониевых М Д О-покрытий.
-
Основы технологии получения теплозащитных слоев с низким коэффициентом теплопроводности методом микродугового оксидирования на материалах, используемых в РКТ.
-
Методика оценки коэффициентов теплопроводности теплозащитных покрытий и проведения тепловых испытаний теплозащитных покрытий при температурах более 1000С.
-
Методика оценки общей пористости покрытий с использованием спектрометрии ядерного обратного рассеяния протонов.
-
Структурные характеристики многослойных и однослойных диоксид циркониевых покрытий, получаемых методом плазменного напыления в динамическом вакууме, до и после термоциклических испытаний.
7. Основы технологии структурирования плазменных покрытий, получаемых в
динамическом вакууме, позволяющей обеспечить их стойкость при
термоциклических нагрузках.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современного откалиброванного оборудования и независимых, взаимодополняющих методов исследования структуры, состава и свойств, корректных физических и математических моделей изучаемых процессов. Результаты проведенных
экспериментов, в основном, согласуются с экспериментальными результатами других авторов при их наличии.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на 12 международных и российских семинарах и конференциях: Всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых «Функциональные наноматериалы для космической техники», МИЭМ, Москва, 2010 г.; Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения», МАТИ, Москва, 2010-2013 г.г.; Международная конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью» 2011, 2013 г.г.; Молодежная научно-техническая конференция «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», МЭИ, Москва, 2011, 2013 г.г.; Межвузовская научная школа молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике электронике, экологии и медицине», МГУ, Москва, 2011-2012 г.г.; Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии», МАГИ, Москва, 2011-2012 гг.; Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Быстрозакаленные материалы и покрытия», МАГИ, Москва, 2011-2012 г.г; международная Тулиновская конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, МГУ, Москва, 2012-2013 г.г.; международная конференция «Пленки и покрытия», Санкт-Петербург, 2013 г., Школа «Метрология и стандартизация в нанотехнологиях и наноиндустрии», г. Екатеринбург, 2013 г.г., Всероссийская научно-техническая конференция «Измерения и испытания в ракетно-космической промышленности», о. Городомля, 2013; Международная объединенная конференция: V конференция «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии» и IV конференция «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации поверхностей», г. Плес, 2013 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 работ, в том числе два патента РФ и четыре статьи в ведущих рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка сокращений и обозначений, списка литературных источников из 152 наименований и 1 приложения. Материал диссертации изложен на 153 с. и содержит 73 рисунка и 14 таблиц.
Похожие диссертации на Разработка и исследование диоксид циркониевых покрытий для теплонапряженных узлов изделий авиационной и ракетно-космической техники
