Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Особенности применения композиционных мате риалов в конструкциях авиационных двигателей и состояние проблемы по их контролю на авиапредприятиях 16
1.1. Особенности применения композиционных материалов в авиационных двигателях 6
1.2. Углеродсодержащие композиционные материалы с защитными покрытиями, используемые в элементах конструкций современных авиационных двигателей, - сложный объект контроля 22
1.3. Состояние проблемы по контролю высокотемпературных композиционных материалов на авиапредприятиях 26
1.4. Структура диссертационного исследования .29
Выводы по главе 1 30
ГЛАВА 2. Разработка методики, определение средств и пара метров автоматизированного контроля углеродсодержа щих км, используемых в элементах конструкций авиационных двигателей 31
2.1. Обзор информации о существующих методах, средствах по
неразрушающему контролю, анализ возможности их применения для контроля изделий из углеродсодержащих КМ с покрытиями .31
2.1.1. Требования к неразрушающему контролю изделий из углеродсодер жащих КМ с покрытиями .31
2.1.2. О возможности применения методов ультразвукового неразрушающего контроля изделий из УУКМ и УККМ 32
2.1.3. О возможности применения методов радиационного контроля на изделиях из УУКМ и УККМ 39
2.1.4. О возможности применения методов рентгеновской томографии для контроля изделий из УУКМ и УККМ .42
2.1.5. Оптико-визуальные методы контроля .44
2.2. Разработка методики, определение средств и параметров автоматизированного ультразвукового контроля деталей авиационных двигателей из углеродсодержащих КМ с покрытиями 45
Выводы по главе 2 66
ГЛАВА 3. Разработка методики проведения и планирования эксплуатационных тепловых испытаний образцов из уг-леродсодержащих км с защитными покрытиями 67
3.1. Теоретическое исследование процесса циклического теплового воздействия на углеродсодержащие КМ при эксплуатации авиационного двигателя 67
3.2. Разработка методики эксплуатационных тепловых испытаний по определению высокотемпературной термостойкости углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями, используемых в элементах конструкций авиационных двигателей 73
3.3. Планирование и проведение эксплуатационных тепловых испытаний по определению термостойкости углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями .82
3.3.1. Описание установки, её систем и оборудования .82
3.3.2. Исходное положение систем установки и оборудования 85
3.3.3. Операции по подготовке систем установки и оборудования к работе 85
3.3.4. Операции при работе установки, ее систем и оборудования 87
3.3.5. Операции по приведению систем установки, ее элементов и оборудования в исходное положение .88
3.3.6. Текущее обслуживание, планово-предупредительный ремонт 90
3.4. Разработка токоподвода к нагревателю из углерод-углеродных КМ для экспериментальной установки по эксплуатационным тепловым испытаниям углеродсодержащих КМ 91
3.4.1. Прототипы токоподводов к нагревателю для экспериментальных высокотемпературных электронагревательных установок по эксплуатационным тепловым испытаниям 91
3.4.2. Разработка токоподвода к нагревателю из углерод-углеродных КМ для экспериментальной установки по эксплуатационным тепловым испытаниям 94
3.5. Алгоритм математической модели для построения диаграмм значений температуры нагрева модельных образцов из КМ с покрытием от времени эксперимента при эксплуатационных тепловых испытаниях 98
3.6. Составление расчётной модели при исследовании влияния эксплуатационных теплосиловых нагрузок на механические характеристики углеродсодержа-щих КМ с покрытием 104 Выводы по главе 3 .109
Глава 4. Результаты эксплуатационных тепловых испытаний и расчётов на высокотемпературную термостойкость углеродсодержащих км с покрытиями .111
4.1. Проведение и обработка результатов эксплуатационных тепловых испытаний на термостойкость модельных образцов из углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями. 111
4.2. Результаты определения значений теплофизических и прочностных характеристик при эксплуатационных тепловых, механических испытаниях образцов из углеродсодержащих КМ с покрытиями 122
4.3. Результаты исследования структуры образцов из углеродсодержащих КМ с покрытиями по шлифу их поперечного сечения после эксплуатационных тепловых испытаний .127
4.4. Контроль газопроницаемости образцов из углеродсодержащих КМ с
покрытиями после эксплуатационных тепловых испытаний .134
Выводы по главе 4 .137
Заключение 139
Список использованных источников
- Углеродсодержащие композиционные материалы с защитными покрытиями, используемые в элементах конструкций современных авиационных двигателей, - сложный объект контроля
- О возможности применения методов ультразвукового неразрушающего контроля изделий из УУКМ и УККМ
- Разработка методики эксплуатационных тепловых испытаний по определению высокотемпературной термостойкости углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями, используемых в элементах конструкций авиационных двигателей
- Результаты определения значений теплофизических и прочностных характеристик при эксплуатационных тепловых, механических испытаниях образцов из углеродсодержащих КМ с покрытиями
Углеродсодержащие композиционные материалы с защитными покрытиями, используемые в элементах конструкций современных авиационных двигателей, - сложный объект контроля
Результаты экспериментальных исследований влияния высокотемпературных термоциклических нагрузок в условиях эксплуатации на прочность, тепло физические свойства и газопроницаемость углерод-содержащих КМ с защитными покрытиями. Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации состоит в том, что: определены метод, параметры и выполнен подбор базового дефектоскопа по УЗ НК для автоматизированного контроля деталей из углеродсодер-жащих КМ с защитными покрытиями, используемых в элементах конструкции АД; разработана методика эксплуатационных тепловых испытаний образцов из КМ; разработана инструкция по эксплуатации, технологии, подготовке и проведению эксплуатационных тепловых испытаний на установке по определению высокотемпературной термостойкости КМ с защитными покрытиями; построена математическая модель для программного обеспечения эксплуатационных тепловых испытаний КМ, позволяющая автоматизировать регистрацию и обработку температурных характеристик.
В соавторстве: разработан токоподвод к нагревателю из УУКМ для высокотемпературных электронагревательных установок по эксплуатационным тепловым испытаниям на термостойкость КМ, что позволило увеличить скорость и температуру косвенного нагрева модельного образца из КМ до эксплуатационных значений - защищено патентом; выполнены испытания по определению газопроницаемости модельных образцов из углеродсодержащих КМ с покрытиями, позволяющих выполнить анализ теплового состояния и уноса массы КМ в процессе его работы, выявить степень повреждений наносимого на подложку антиокислительного покрытия, уровень пористости подложки и т.д. Достоверность результатов проведённых исследований подтверждается: приемлемой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, в частности по определению термостойкости углерод-содержащих КМ с защитными покрытиями; адекватностью математических моделей исследуемым процессам; применением сертифицированного оборудования по НК и высокотемпературным термоциклическим испытаниям КМ при проведении экспериментальных исследований. Теоретическая значимость заключается в том, что результаты исследований, полученные с помощью усовершенствованных методов, средств автоматизированного УЗ НК и эксплуатационных тепловых испытаний, могут быть использованы в расчетах: термоциклической повреждаемости при эксплуатации деталей «горячей части» АД из УУКМ, УККМ - это элементы турбокомпрессора, жаровая труба камеры сгорания, сопло; коэффициентов линейного термического расширения, теплопроводности компонентов УУКМ, УККМ защитное покрытие - углеродная подложка, углеродное волокно - керамическая матрица; предела длительной прочности деталей «горячей части» АД из УУКМ, УККМ при воздействии высокотемпературных термоциклических нагрузок.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что ее результаты могут быть применены: на авиационно-ремонтных предприятиях и предприятиях авиационной промышленности при проведении автоматизированного УЗ контроля для выявления термоциклической повреждаемости в сложнопрофильных конструкциях из углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями; в центрах технического обслуживания и ремонта, в научно исследовательских лабораториях при проведении эксплуатационных теп ловых испытаний по определению высокотемпературной термостойкости углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями, используемых в эле ментах теплонапряженных конструкций АД, с целью выявления термо циклической повреждаемости для прогнозирования ресурса. Ценность научных работ состоит в усовершенствовании методов, средств по автоматизированному УЗ НК и эксплуатационным тепловым испытаниям на высокотемпературную термостойкость, позволяющих выявлять термоциклическую повреждаемость в деталях «горячей части» АД из углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями путем: настройки оборудования по УЗ НК на образцах из углеродсодержащих КМ, получения графических и эмпирических зависимостей времени задержки сигнала УЗ волны от стандартной толщины деталей «горячей части» АД из УУКМ, УККМ с учетом высокого затухания на границах раздела компонентов, что позволяет по графикам определять время задержки сигнала при любой толщине стенки деталей «горячей части» из УУКМ, УККМ с учетом их разнотолщинности; воспроизведения на экспериментальной установке спектра теплосиловых знакопеременных нагрузок, воздействующих при эксплуатации АД, для моделирования термоциклической повреждаемости углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями, где, по сравнению с параметрами тепловых испытаний на прототипах до 20С/с и 1000С, скорость косвенного нагрева составила 45 С/с, а температура до 1600 С и более. Материалы диссертации внедрены в ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» для экспериментальных исследований высокотемпературной стойкости к термоциклическим нагрузкам высокотемпературных КМ с защитными покрытиями, применяющихся в изготовлении теплонапряжённых изделий АД; в учебный процесс при подготовке лекционного курса «Современные проблемы сохранения лётной годности АиКТ и обеспечения БП»; модернизированная экспериментальная установка по эксплуатационным высокотемпературным термоциклическим испытаниям на термостойкость модельных образцов из КМ и КМ с защитными покрытиями была представлена на международном авиационном космическом салоне МАКС 2011 и защищена патентом на полезную модель.
Апробация. Результаты выполненных исследований были изложены и получили положительную оценку на следующих научно – технических конференциях (НТК): НТК "Компьютер и наука" в МГТУ ГА, 20 апреля 2004; Международная НТК, посвящённая 35-летию со дня основания Университета, МГТУ ГА, 18-19 мая 2006; Международная НТК "33-е Гагаринские чтения " в МАТИ 2007 г.; Международная НТК в МГТУ ГА, посвящённая 85-летию гражданской авиации России, 22-23 апреля 2008; НТК среди сотрудников ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» не старше 35 лет, 25 сентября 2008.
О возможности применения методов ультразвукового неразрушающего контроля изделий из УУКМ и УККМ
Поэтому результаты автоматизированного УЗ контроля образцов из УУКМ, УККМ после эксплуатационных тепловых испытаний представляют ценность для управления термоциклической повреждаемостью деталей из УУКМ, УККМ с покрытиями на этапе эксплуатации АД.
Выполним анализ возникновения таких явлений, как накопление эксплуатационных термоциклических повреждений в изделиях из УУКМ, УККМ с покрытиями. Спецификой этих явлений - наличие скрытых производственно-технологических дефектов, при которых не происходит существенного изменения структуры и прочностных характеристик УУКМ, УККМ с покрытиями. При эксплуатации АД проявление скрытых производственно-технологических дефектов и их переход в высокотемпературную термоциклическую повреждаемость деталей «горячей части» из УУКМ, УККМ с покрытиями существенно зависит от уровня воздействующих температуры нагрева, скорости нагрева, количества термоциклов, напряжений. После проявления скрытых производственно-технологических дефектов при эксплуатации АД в деталях «горячей части» из УУКМ, УККМ идёт рост скорости накопления термоциклической повреждаемости. Установление связи между производственно-технологическими дефектами, эксплуатационными повреждениями и исчерпанием ресурса детали из КМ будет влиять на [1, 69]: что при ступенчатом нагружении изделия из УУКМ, УККМ величина остаточного ресурса At N на N-ой ступени нагружения определяется зависимостью: At N = (t N - t Nин ) - [П (o-N.i;At N.i)]1 / mi (2.2)
Соотношение (2.1) учитывает время нахождения деталей из УУКМ, УККМ со скрытыми производственно-технологическими дефектами, называемым инкубационным периодом t ин, и время действия эквивалентного напряжения а эІ при ступенчатом изменении нагрузки. Степень нелинейности накопления повреждений пц является характеристикой КМ, зависящей от предыстории нагружения и, в том числе, от уровня напряжений а э[ на і - той ступени нагружения. Соотношение (2.2) может быть использовано для оценок остаточного ресурса деталей из УУКМ, УККМ при эксплуатации АД.
Результаты расчётов по методикам, описываемые в работах [54], по определению размеров критических производственно-технологическими дефектов, значений критической нагрузки, долговечности остаточного ресурса деталей «горячей части» из УУКМ, УККМ с термоциклическими повреждениями при эксплуатации АД, а также причин их возникновения, основываются на априор ной информации – результаты НК, представляющие информацию о локальности и координатах термоциклических повреждений (дефектов) деталей из УУКМ, УККМ перед эксплуатацией и вовремя неё. Поэтому к достоверности результатов НК предъявляются высокие требования, так как это является необходимой информацией при решении задач прогнозирования технического состояния теплонапряженных изделий АД из углеродсодержащих КМ в процессе ТЭ, осуществляемые в отделом поддержания летной годности и надёжности ВС в инженерным центре.
Для этого необходимо применять автоматизированный многоканальный УЗ НК, обеспечивающий обнаружение и распознавание всех скрытых производственно-технологических дефектов и термоциклических повреждений деталей «горячей части» АД из УУКМ, УККМ, что позволит определить степень их влияния на возможный отказ детали УУКМ, УККМ с покрытиями при эксплуатации АД. При этом появляется новый класс задач по выявлению УЗ методом термоциклических повреждений в деталях из УУКМ, УККМ с покрытиями: автоматизация сбора и обработки многоканальной информации для обнаружения термоциклических повреждений в деталях из УУКМ, УККМ на фоне естественных структурных неоднородностей углеродного материала и помех на границе раздела компонентов УУКМ, УККМ; обеспечение единства условий и методик проведения дефектоскопии на эксплуатационных авиапредприятиях (АТЦ, АТБ, Центры ТОиР), предприятиях авиационной промышленности (ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют», ОАО «Авиадвигатель» и др.) для уменьшения расхождений результатов дефектоскопии изделий на этих предприятиях путем их оснащения современными едиными серийными средствами и методиками автоматизированной дефектоскопии.
В работе [7] проведено описание стенда (рис.2.15) по автоматизированной комплексной многоканальной дефектоскопии сложнопрофильных средне-габаритных конструкций из неметаллических КМ на базе УЗ дефектоскопа. Поэтому необходимо выполнить подбора УЗ дефектоскопа, исследования по определению метода, и оптимальных значений параметров по УЗ контролю -частота, амплитуда, время задержки волны, на базе которых на стенде будет проводиться автоматизированная комплексная многоканальная УЗ дефектоскопия деталей из высокотемпературных УУКМ, УККМ.
Стенд по автоматизированной комплексной многоканальной УЗ дефектоскопии представлен на рис.2.15 [7]. Рис. 2.15. Автоматизированная установка для комплексной многоканальной УЗ дефектоскопии сложнопрофильных среднегабаритных конструкций из углерод-содержащих КМ Данная установка (рис. 2.15) [7] обладает рядом преимуществ перед ручным контролем: - применение многоканальных систем, т.е. с большим количеством параллельно действующих преобразователей и соответствующих приборных блоков, обес печивают повышение производительности контроля; обеспечение повышения надёжности контроля по сравнению с ручным контролем, т.к. результаты дефектоскопии при автоматизированном контроле не зависят от субъективных качеств контролёра; применение вычислительной техники для решения многих задач автоматизации контроля, обработки и представления информации, что позволяет осуществлять оптимальный выбор параметров контроля изделия с учётом его индивидуальных особенностей: при УЗ контроле – учёт неровности поверхности изделия, скорости и затухания ультразвуковых волн.
Разработка методики эксплуатационных тепловых испытаний по определению высокотемпературной термостойкости углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями, используемых в элементах конструкций авиационных двигателей
Стойкость покрытия к термоциклическим нагрузкам оценивалась по: визуальному осмотру (макротрещины, отслоения, сколы); анализу состояния поверхности с помощью электронного микроскопа (микродефекты); изготовлению шлифов поперечных сечений образцов (нарушение сплошности покрытия, расслоения); взвешиванию образцов на аналитических весах (потеря массы за счёт испарения, сколов и т.п.).
Большими инструментальными возможностями в проведении таких видов анализа располагает институт физической химии российской академии наук (ИФХ РАН) – разработчик и изготовитель покрытий на УГМ.
Габариты нагревателя из углерод-углеродных КМ (изготовитель ОАО «ЦНИИСМ») (рис.3.11) и его физические параметры (табл. 3.1) выбраны из условия обеспечения высоких температур и скоростей косвенного нагрева модельного образца, а также протяжённой изотермической зоны вдоль его оси для равномерного нагрева образца.
Нагреватель трубчатый из УУКМ с покрытием SiC (изготовитель ОАО «ЦНИИСМ»), используемый в высокотемпературных термоциклических испытаниях композиционных материалов Из закона Джоуля-Ленца, дающего количественную оценку теплового воздействия электрического тока во времени (резистивный нагрев) и проходящего через нагреватель из УУКМ следует для последовательного соединения цепи: где I - сила тока, U- напряжение, R - сопротивление нагревателя - время эксперимента. Современный аналог нагревателей из УУКМ (изготовитель ОАО «ЦНИ-ИСМ») и карбидокремниевого, являющиеся полупроводниковыми материалами, - это нагреватели «ЛАНТЕРМ» из керамического материала (рис. 3.12), использующиеся в электрических печах сопротивления с воздушной средой и обеспечивают проведение термических процессов на верхнем температурном пределе до 1700С, а в некоторых случаях до 1800С. Конструкции нагревателей «ЛАНТЕРМ», углерод-углеродных (изготовитель ОАО «ЦНИИСМ»), кар-бидокремниевых нагревателей подобны, а их электрические характеристики весьма близки.
Рис. 3.12. Высокотемпературные электронагревательные элементы «ЛАН-ТЕРМ» изготовлены из керамического материала на основе тугоплавкого электропроводного оксидного соединения – хромита лантана LaCrO3
Основные технические характеристики нагревателя «ЛАНТЕРМ»: плотность 5.6 г/см2; коэффициент температурного расширения 9,610-6, [К-1]; теплопроводность 2,4 Вт/мК ; достигаемый уровень температур 1800 С; электропроводность, См/м при Т=25С 15…50, R= 0,02 Ом, при Т=1700С свыше 400.
Особенностью всех нагревателей из полупроводниковых материалов является значительное снижение электрического сопротивления с температурой, что увеличивает проводимость (рис. 3.13). Наиболее существенное падение сопротивления, более чем на один десятичный порядок, наблюдается в интервале температур от комнатной до 1000С и с дальнейшим нагревом, вплоть до1700С, изменяется незначительно (в 2 – 2,5 раза). Рис. 3.13. Температурные зависимости электропроводности нагревателей с добавками и без них Основным достоинством нагревателей «ЛАНТЕРМ» служит многократное увеличение продолжительности безотказной работы печи и качественно улучшается тепловое поле в рабочей камере, так как хромит лантана практически не подвержен «старению», присущему, например карбиду кремния. Но при этом единственным и очень существенным ограничением нагревателей «ЛАН-ТЕРМ», по сравнению с нагревателем из УУКМ (изготовитель ОАО «ЦНИ-ИСМ»), являются их низкие скорости нагрева и охлаждения, что делает недопустимым их применение в эксплуатационных термоциклических испытаниях образцов их КМ, где требуется высокая скорость косвенного нагрева до 100200 град/с, соответствующий нагреву на эксплуатационных режимах запуска, малого газа, взлёта авиационного двигателя (АД 4-го, 5-го поколения).
Все условные обозначения, взаимосвязь систем установки и оборудования соответствуют пневмогидравлической схеме (ПГС) (рис. 3.10) экспериментальной установки Центра Келдыша.
Материалы испытуемых образцов не претерпевают термического разложения в процессе нагрева и не образуют вредных выделений.
Электропитание установки Центра Келдыша осуществляется от трансформаторов. Регулирование тока и напряжения производится с помощью электронного регулятора тока и напряжения РОТ-250.
Гелий для продувки и заполнения камеры из баллонов по трубке 6x1 через редуктор КР1 (Т600), понижающий давление со 150 кгс/см2 до 40 кгс/см2, подается на редуктор КР2 (Т608), понижающий давление с 40 кгс/см2 до 3 кгс/см2 и далее поступает в коллектор камеры на обдув образца и стёкол.
Система подачи воды охлаждения установки Центра Келдыша осуществляется от водопровода открытием вентилей ВН5-ВН8 при закрытых вентилях ВН9-ВН12, где ВН5, ВН7, ВН8 – вентили, осуществляющие подачу воды на камеру, а ВН6 – вентиль, осуществляющий подачу воды на тиристоры.
Откачка рабочей среды из камеры и создание вакуума (до 10-2 мм рт. ст.) осуществляется электровакуумным насосом пластинчато-роторного типа НВР-5Д посредством открытия вакуумного вентиля ВВН. Вакуум в камере контролируется мановакуумметром.
Для нагрева образца установки Центра Келдыша используется тонкостенный трубчатый нагреватель из УГМ (углеграфитовых материалов) длиной около 300 мм, разогреваемый пропусканием через него электрического тока. Для этого нагреватель вставляется в контакты электродов, к которым подводится ток. Измерение температуры в зоне размещения образца контролируется вольфрам-рениевой термопарой W-Re, спай которой располагается у верхнего торца образца. Дополнительно ведется контроль тепловизором.
Результаты определения значений теплофизических и прочностных характеристик при эксплуатационных тепловых, механических испытаниях образцов из углеродсодержащих КМ с покрытиями
Данные свидетельствуют, что эксплуатационное термоциклирование мо дельных образцов УККМ типа C/SiC, где процентное содержание карбидок-ремниевой матрицы SiC 37% , при указанных параметрах и количествах теп-лосмен не приводит к снижению прочности, а даже намечается тенденция к её увеличению. Для определения причин такого поведения материала были проведены его микроструктурные исследования.
По результатам эксплуатационных термоциклических испытаний разрабатываются рекомендации и определяются направления совершенствования рецептур покрытий и способов их нанесения, а также формируются требования к подложке на которое покрытие наносится.
В обеспечение создания опережающего научно-технического задела по разработке материалов и покрытий для перспективных изделий АТ нового поколения выполнены исследования и получены результаты: выработка предло 123 жений в проведении комплекса работ по совершенствованию дефектации образцов из КМ с покрытиями, направленных на повышение информативности результатов после эксплуатационных высокотемпературных испытаний на термостойкость по изучению процесса разрушения углеродсодержащего КМ.
Проведенные работы охватывают совершенствование методического и инструментального оснащения, что позволяет осуществлять дефектацию образцов без нарушения их целостности до испытаний и после проведения испытаний. При этом форма и размеры образцов КМ выбраны такими, чтобы непосредственно на них можно было определять комплекс характеристик.
Характеристики углеродных волокон и карбида кремния, как основных компонентов УУКМ, УККМ, определяются из табл. 4.11.
КТР в направлении перпендикулярном оси волокна а 10-6, 1/К 10-15 4,7 (при 300-1200С) При расчётах термических напряжений в образцах-свидетелях после испытаний углерод-керамических КМ учитывались физико-механические харак теристики исследуемого материала при нормальных условиях табл. 4.12.
Зависимость КЛТР углеродсодержащего КМ с покрытием от температуры нагрева Данная зависимость позволяет оценить влияние температуры нагрева до 2000 С и более на изменение коэффициентов линейного термического расширения компонентов углеродсодержащих КМ и защитных покрытий, в частности УККМ, и спрогнозировать их совместимость по КЛТР на границах раздела.
Результаты исследования структуры образцов из углеродсодержащих КМ с покрытиями по шлифу их поперечного сечения после эксплуатационных тепловых испытаний
Каждый из способов формирования углеродного каркаса и карбидокрем-ниевой матрицы УУКМ, УККМ, а также нанесения защитных покрытий обладает своими преимуществами и недостатками. Однако оптимального соотношения свойств композита, включающего в свой состав разнородные по термомеханическим, химическим характеристикам материалы, по-видимому, можно достичь при обеспечении максимальной однородности материала и хорошего согласования на границе раздела фаз.
Поэтому с целью получения визуальной информации о совместимости на границе раздела фаз матрица-волокно-покрытие в УУКМ, УККМ возникает необходимость в исследовании микроструктуры поверхности и поперечного шлифа модельного образца из УУКМ, УККМ до эксплуатационных термоциклических испытаний и после.
Все модельные образцы из КМ перед эксплуатационными испытаниями фотографируются цифровой камерой. На рис. 4.8 представлен образец С-С-SiC/Si3N4, представляющий пористую углеродную заготовку (плотность -1,15 + 9,05 г/см3), состоящий из углеродной ткани УТ 900, кокса бакелитового лака и пироуглерода. Барьерный слой SiC между углеродной составляющей УККМ и SisN4 получен при термическом разложении монометилсилана. Основная матрица из Si3N4. Плотность УККМ 1,7 + 0,07 г/см3. Содержание Si3N4 - 22% массовых.
Дополнительно перечисленные выше поверхности образца фотографируются с помощью стереоскопического микроскопа Nikon SMZ 1500 при увеличении в 10 и 50 раз и с помощью электронного микроскопа.
Партия образцов УККМ, исследованные до и после эксплуатационных тепловых испытаний, имели ткановыкладочную схему армирования из углеродной ткани. Матрица, заполняющая армирующий каркас, имеет в своем составе карбид и нитрид кремния, SiC и Si3N4 соответственно, и получена по различным схемам технологического процесса.
Фотографии внешних поверхностей образцов УККМ после эксплуатационных испытаний рис. 4.8, полученные с помощью цифровой фотокамеры. По согласованию с заказчиком определяется дальнейшая периодичность дефекта-ции образцов КМ. На данном этапе работ дефектация образцов проводилась до термоциклических испытаний, после первого и после пятого нагружения (боковые поверхности, соответствующие плоскостям армирования, и длинный торец образца). На каждом этапе эксплуатационных тепловых испытаний модельные образцы взвешиваются на аналитических весах.
На рис. 4.9 приведена фотография поверхности образцов КМ до термоциклического испытания, полученные с помощью электронного микроскопа Nikon SMZ 1500 с 50 кратным увеличением.
После эксплуатационных термоциклических испытаний в количестве пяти штук с целью анализа состояния поверхности образца из УККМ проводились исследования с помощью электронного микроскопа, входящего в состав диагностического оборудования для электронно-микроскопических исследований (рис. 4.10) [48].
Данные по потере массы образцами КМ и фотографии поверхностного слоя образцов свидетельствуют о присутствии эффекта растрескивания матрицы. Необходимо отметить, что термостойкость этих образцов существенно выше, по сравнению с образцами КМ типа С/Si3N4. Также устранено расслоение
Фото поверхности образца из керамоматричного КМ С-SiC/Si3N4 после эксплуатационных термоциклических испытаний в количестве пяти штук, где С-SiC углерод-керамический армирующий каркас, состоящий из углеродного волокна с покрытием карбида кремния, Si3N4 – керамическая матрица
Эксплуатационные тепловые испытания образцов КМ в форме пластин на термостойкость проведены с образцами керамокомпозита типа С/Si3N4, изготовленными по различным технологическим схемам. Испытания были проведены в циклическом режиме (по 5 циклов нагружения) с нагревом образцов до 1800К при темпе нагрева до 40 град/с и длительности одного цикла 150. Образцы сохранили целостность. Потеря массы образцами в процессе испытаний составила 2%. Полученные данные в комплексе с результатами, полученные при помощи микроскопии и нанотехнологических исследований, проведенного структурного анализа состояния поверхности модельных образцов из
Анализ и исследование шлифов поперечных сечений модельных образцов (рис. 4.11), над которыми были проведены эксплуатационные термоциклические испытания в количестве 20 штук, на примере двухслойной защитной композиции ТаС+W на графите В1 [40]: - после эксплуатационных термоциклических испытаний, где температура нагрева составила 2000 К: двухслойная композиция ТаС+W на графите В1 выдержала циклические испытания, в количестве 20 штук без разрушений, однако в местах наличия крупной нерегулярной пористости в самом графите обнаружены единичные дефекты, зафиксированные на границе между слоями (отслоение на границе между ТаС и W) и во внутреннем ТаС-слое (трещины). Грубые дефекты (большие поры и неравномерность их распределения в приповерхностной зоне) служат концентраторами значительных термических напряжений и при многократном циклическом термонагружении могут приводить к снижению защитных свойств композиций. Поэтому необходим технологический контроль качества используемого графита, его зернистости и однородности.
