КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ЗАЩИТЫ ОСОБОЖАРОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ГИПЕРЗВУКОВЫХ ПОТОКАХ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ГАЗА

Статья является продолжением цикла публикаций авторов по тематике «Многофункциональные защитные покрытия для особотеплонагруженных элементов конструкций гиперзвуковых систем». Предложена концептуальная физико-химическая модель работы жаростойкого защитного покрытия в высокоскоростном высокоэнтальпийном окислительном потоке газа, учитывающая и нивелирующая основные источники разрушения поверхности газовым потоком. Модель успешно реализована при создании целого ряда сплавов системы Si–TiSi2–MoSi2–B–Y, предназначенных для формирования из них тонкослойных покрытий любым из методов наслоенного нанесения, обеспечивающих воспроизведение в покрытии структуры, фазового состава и морфологических особенностей наносимого материала. В ходе нанесения покрытий обеспечивается формирование микрокомпозиционного слоя, представляющего собой каркас из тугоплавких силицидных фаз, ячейки которого заполнены легкоплавкой (относительно температуры плавления каркасообразующих фаз) эвтектической структурной составляющей. При высокотемпературном взаимодействии с кислородсодержащими средами происходит трансформация этого слоя (синергетический эффект) в многослойную систему с рядом функциональных слоев (антикаталитическим, переизлучающим, антиэрозионным, жаростойким, барьерно-компенсационным) микро- и субмикронных толщин. Защитная способность обеспечивается образованием самовосстанавливающейся оксидной стеклообразной пленки на основе легированного кремнезема. Эффект самозалечивания заключается в быстром заполнении случайных дефектов вязкопластичной эвтектической составляющей и ускоренным, по сравнению с известными покрытиями, формированием защитной пленки. Высокая стойкость к эрозионному уносу обеспечивается наличием разветвленного дендритно-ячеистого тугоплавкого каркаса. Созданные в рамках предлагаемой концепции покрытия МАИ Д5 и МАИ Д5У успешно апробированы в высокоскоростных высокоэнтальпийных кислородсодержащих газовых потоках на образцах и элементах конструкций из особожаропрочных материалов различных классов (ниобиевые сплавы, углерод-углеродные и углерод-керамические композиционные материалы, углеграфитовые материалы). Защитная способность покрытий толщиной 80–100 мкм в потоках с числом Маха 5–7, энтальпией 30–40 МДж/кг составляет не менее 600 с при Tw = 1800 °С, 200 с при 1900 °С и 60 с при 2000 °С, в том числе на конструктивных элементах с острыми кромками.

жаропрочный материал, жаростойкость, высокотемпературная газовая коррозия, защитное покрытие, эрозия, скоростной поток, гиперзвук, газодинамические испытания

1. Астапов А.Н., Терентьева В.С. Анализ практики работ по созданию гиперзвуковых систем и обеспечению их тепловых режимов (обзор) // Тепловые процессы в технике. 2014. Т. 6. No. 1. С. 2—11.

2. Астапов А.Н., Терентьева В.С. Обзор отечественных разработок в области защиты углеродсодержащих материалов от газовой коррозии и эрозии в скоростных потоках плазмы // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2014. No. 4. C. 50—70. DOI: 10.17073/1997-308X-2014-4-50-70.

3. Молев Г.В., Мирзабекянц Н.С. Пути повышения стойкости углеродных материалов к окислению на воздухе при повышенных температурах // Химия твердого топлива. 1998. No. 1. С. 89—100.

4. Opeka M.M., Talmy I.G., Zaykoski J.A. Oxidation-based materials selection for 2000 C + hypersonic aerosurfaces: Theoretical considerations and historical experience // J. Mater. Sci. 2004. Vol. 39. No. 19. P. 5887—5904. DOI: 10.1023/B:JMSC.0000041686.21788.77.

5. Ohlhorst C.W., Vaughn W.L., Lewis R.K., Milhoan J.D. Arc jet results on candidate high temperature coatings for NASA’s NGLT refractory composite leading edge task // APS-II-77, JANNAF 27th Airbreathing Propulsion Meeting. Colorado Springs, CO. December 1—5, 2003.

6. Ohlhorst C.W., Vaughn W.L., Daryabeigi K., Lewis R.K., Rodriguez A.C., Milhoan J.D., Koenig J.R. Emissivity results on high temperature coatings for refractory composite materials // 29th International Thermal Conductivity Conference (ITCC) and 17th International Expansion Symposium. Birmingham, AL. Jun 24-27, 2007.

7. Yang Ya-zheng, Yang Jia-ling, Fang Dai-ning. Research progress on thermal protection materials and structures of hypersonic vehicles // Appl. Math. and Mech. 2008. Vol. 29. No. 1. P. 51—60. DOI: 10.1007/s10483-008-0107-1.

8. Tkachenko L.A., Shaulov A.Yu., Berlin A.A. High-temperature protective coatings for carbon fibers // Inorg. Mater. 2012. Vol. 48. No. 3. P. 213—221. DOI: 10.1134/S0020168512030168.

9. Zmij V.I., Rudenkyi S.G., Shepelev A.G. Complex protective coatings for graphite and carbon-carbon composite materials // Mater. Sci. Appl. 2015. Vol. 6. No. 10. P. 879—888. DOI: 10.4236/msa.2015.610090.

10. Лебедев П.Д., Смолин А.Г., Терентьева B.C., Холодков Н.В. Работоспособность материалов с покрытиями в высокоэнтальпийных окислительных газовых потоках // Изв. АН СССР. Металлы. 1988. No. 5. С. 157—164.

11. Никитин П.В. Тепловая защита. М.: Изд-во МАИ, 2006.

12. Курзинер Р.И. Реактивные двигатели для больших сверхзвуковых скоростей полета. Основы теории. М.: Машиностроение, 1977.

13. Ковалев В.Л. Гетерогенные каталитические процессы в аэротермодинамике. М.: Физматлит, 2002.

14. Аппен А.А. Температуроустойчивые неорганические покрытия. Л.: Химия, 1976.

15. Curry D.M., Rochelle W.C., Chao D.C., Ting P.C. Space shuttle orbiter nose cap thermal analysis // AIAA Paper 86-0388. 1986. DOI: 10.2514/6.1986-388.

16. Jacobson N.S. Corrosion of silicon-based ceramics in combustion environments // J. Amer. Ceram. Soc. 1993. Vol. 76, No. 1. P. 3—28. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1993.tb03684.x.

17. Brad L. Kirkwood, Elizabeth M. W. Pincha. Silica-enriched protective coating for hypersonic flight vehicles, and method of applying same, including field repair: Pat. 5431961 (USA). 1995.

18. Антонова Е.А., Горбатова Г.Н., Сазонова М.В., Горячковский Ю.Г., Вощанкин А.Н., Конокотин В.В., Костиков В.И., Кравецкий Г.А., Шуршаков А.Н. Состав для нанесения защитного покрытия на углеродные изделия: Пат. 2069208 (РФ). 1996.

19. Вержбицкая Т.М., Лейпунский И.О., Малкин А.И. Изучение процессов деградации защитных покрытий для углерод-углеродных композиционных материалов // Изв. АН. Энергетика. 1996. No. 6. С. 50—62.

20. Родионова В.В., Кравецкий Г.А., Шестакова Н.М., Кузнецов А.В., Костиков В.И., Демин А.В. Способ получения защитных покрытий на материалах и изделиях с углеродсодержащей основой: Пат. 2082694 (РФ). 1997.

21. Anatoliy Bondar, Hans Leo Lukas. Mo—Si—Ti (Molybdenum—silicon—titanium) // Landolt-Börnstein. Group IV: Physical Chemistry. 2006. Vol. 11A4. P. 385—405. DOI: 10.1007/11008514_34.

22. Scientific Group Thermodata Europe (SGTE). Ternary System Cr—Si—Ti // Landolt-Börnstein. Group IV: Physical Chemistry. 2015. Vol. 19C2. P. 88—94. DOI: 10.1007/978-3-540-88154-4_12.

23. Терентьева В.С. Разработка многофункциональных защитных покрытий и технологии нанесения их на теплонапряженные элементы конструкций ГПВРД и ГЛА: Дис. … докт. техн. наук. М.: МАИ, 1990.

24. Frankwicz P.S., Perepezko J.H. Phase stability of MoSi2 in the C11b and C40 structures at high temperatures // Mater. Sci. Eng. 1998. Vol. 246. No. 1-2. P. 199—206. DOI: 10.1016/S0921-5093(97)00747-8.

25. Wei F.G., Kimura Y., Mishima Y. Microstructure and phase stability in MoSi2—TSi2 (T = Cr, V, Nb, Ta, Ti) pseudobinary systems // Mater. Trans. 2001. Vol. 42. No. 7. P. 1349—1355. DOI: 10.2320/matertrans.42.1349.

26. Должанский Ю.М., Новик Ф.С., Чемлева Т.А. Планирование эксперимента при исследовании и оптимизации свойств сплавов. М.: ОНТИ, 1974.

27. Терентьева В.С., Богачкова О.П., Горячева Е.В. Способ защиты жаропрочных материалов от воздействия агрессивных сред высокоскоростных газовых потоков (варианты): Пат. 2082824 (РФ). 1994.

28. Terentieva V.S., Bogachkova O.P., Goriatcheva E.V. Method for protecting products made of a refractory material against oxidation, and resulting protected products: Pat. 0703883 (EP). 1994.

29. Terentieva V.S., Bogachkova O.P., Goriatcheva E.V. Method for protecting products made of a refractory material against oxidation, and resulting protected products: Pat. 5677060 (US). 1994.

30. Астапов А.Н. Разработка высокотемпературных защитных покрытий на углеродсодержащие композиционные материалы применительно к особо-теплонагруженным элементам конструкций авиакосмической и ракетной техники: Дис. … канд. техн. наук. М.: МАИ, 2011.

31. Жестков Б.Е. Исследование термохимической устойчивости теплозащитных материалов // Ученые записки ЦАГИ. 2014. Т. XLV. No. 5. С. 62—77.

32. Жестков Б.Е., Штапов В.В. Исследование состояния материалов в гиперзвуковом потоке плазмы // Зав. лаб. Диагностика материалов. 2016. Т. 82. No. 12. С. 58—65.

33. Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братковский А.М. и др. Физические величины: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991.