Обзор отечественных разработок в области защиты углеродсодержащих материалов от газовой коррозии и эрозии в скоростных потоках плазмы
https://doi.org/10.17073/1997-308X-2014-4-50-70
Аннотация
Статья является продолжением цикла публикаций авторов по тематике «Многофункциональные защитные покрытия для особотеплонагружен- ных элементов конструкций гиперзвуковых систем». Проанализированы современные отечественные подходы к созданию однослойных и много- слойных высокотемпературных защитных покрытий различных классов: стеклокерамических, получаемых разными методами; на основе оксид- ной керамики; бескислородных реакционно-связанных; микрокомпозиционных синергетического типа. Обращено внимание, что практически отсутствуют научно-прикладные исследования, направленные на разработку структурной и физико-химической моделей архитектуры покры- тий, на обоснование их функционирования в условиях взаимодействия со скоростными потоками газов. Выбор химического состава покрытий и технологических приемов их формирования осуществляется в основном на эмпирической основе. Представлен ряд покрытий, заявленных как работоспособные в среде спокойного или слабовозмущенного воздуха вплоть до температур 1600–2000 °С, однако судить об их защитной спо- собности в условиях воздействия высокоэнтальпийных сверх- и гиперзвуковых кислородсодержащих газовых потоков не представляется воз- можным из-за недостаточности или отсутствия надлежащих данных. Особо выделены микрокомпозиционные покрытия синергетического типа на основе системы Si–TiSi2–MoSi2–B–Y, разработанные в рамках оригинального концептуального подхода к созданию многоуровневой системы тепловой защиты теплонапряженных элементов конструкций из жаропрочных материалов гиперзвуковых летательных аппаратов и их двига- тельных установок. Детальный анализ их функционирования в составе единой конструкционной стенки с защищаемыми углеродсодержащи- ми материалами позволит определить тенденции и направления последующих исследований авторов с целью совершенствования разработок.
Об авторах
А. Н. АстаповРоссия
канд. техн. наук, доцент кафедры материаловедения МАИ
В. С. Терентьева
Россия
докт. техн. наук, профессор кафедры материаловедения МАИ
Список литературы
1. Астапов А. Н., Терентьева В. С. // Тепловые процессы в технике. 2014. Т. 6, No 1. С. 2.
2. Костиков В. И., Варенков А. Н. Сверхвысокотемпера- турные композиционные материалы. М.: Интермет Инжиниринг, 2003.
3. Щурик А.Г. Искусственные углеродные материалы. Пермь: Изд-во Перм. гос. ун-та, 2009.
4. Терентьева В. С., Лейпунский И. О., Еремина А. И. и др. // Механика композ. материалов и конструкций. 2011. Т. 17, No 1. С. 30.
5. 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.
6. Ковалев В. Л. Гетерогенные каталитические процессы в аэротермодинамике. М.: Физматлит, 2002.
7. Горский В. В., Носатенко П. Я. Математическое моделирование процессов тепло- и массообмена при аэротермохимическом разрушении композиционных теплозащитных материалов на кремнеземной основе / Под ред. П. Я. Носатенко. М.: Науч. мир, 2008.
8. Аппен А. А. Температуроустойчивые неорганические покрытия. Л.: Химия, 1976.
9. Бобров Г.В., Ильин А.А. Нанесение неорганических покрытий (теория, технология, оборудование). М.: Интермет Инжиниринг, 2004.
10. Терентьева В. С., Астапов А. Н., Еремина А. И. // Кор- розия: материалы, защита. 2014. No 1. С. 30.
11. Самсонов Г. В., Эпик А. П. Тугоплавкие покрытия. М.: Металлургия, 1973.
12. Сазонова М. В., Баньковская И. Б., Горбатова Г. Н., Фи- липович В. Н. // Неорган. материалы. 1995. Т. 31, No 8. С. 1072.
13. Аппен А. А. Химия стекла. Л.: Химия, 1974.
14. Лозино-Лозинский Г. Е. // Сб. докл. XIX Гагаринских научных чтений по космонавтике и авиации (Москва, апр. 1989 г.). М.: Наука, 1990. С. 6.
15. Пат. 2069208 (РФ). Состав для нанесения защитного покрытия на углеродные изделия / Е. А. Антонова, Г. Н. Горбатова, М. В. Сазонова и др. 1996.
16. Кравецкий Г. А., Кузнецов А. В., Костиков В. И., Родионова В. В. // Тр. I Междунар. авиакосм. конф. «Человек–Земля–Космос» (Москва, 28 сент.–2 окт. 1992 г.). М.: Росс. инж. академия, 1995. Т. 5. С. 249.
17. Гордеев А. Н., Якушин М. И. // Сб. докл. XXI Гагарин- ских научных чтений по космонавтике и авиации (Москва, 3–9 апр. 1991 г.). М.: Наука, 1992. С. 60.
18. Кравецкий Г. А., Амбарцумян А. Г., Костиков В. И., Родионова В. В. // Хим. журн. Армении. 2004. Т. 57, No 1–2. С. 50.
19. Жабрев В. А., Сазонова М. В., Афанасьев В. П.
20. и др. // Тр. XVIII совещ. по температуроустойчивым функц. покрытиям (Тула, 15–17 мая 2001 г.). Тула: Изд-во Тул. гос. пед. ун-та им. Л. Н. Толстого, 2001. Ч. 2. С. 85.
21. Пат. 2190584 (РФ). Защитное покрытие / С. С. Солнцев, В. А. Розененкова, Н. А. Миронова. 2002.
22. Пат. 2249571 (РФ). Защитное покрытие / С. С. Солнцев, В. Т. Минаков, В. А. Розененкова и др. 2005.
23. Пат. 2266936 (РФ). Способ получения защитного противоокислительного покрытия углерод-углерод- ного композиционного материала / Е. А. Афанасьев, Ю. Ф. Климов, Р. И. Бурикова. 2005.
24. Пат. 2290371 (РФ). Защитное покрытие / В.А. Розененкова, С. С. Солнцев, Е. Н. Каблов и др. 2006.
25. Пат. 2101266 (РФ). Способ получения стеклосилицидных покрытий / А.В. Кузнецов, Г.А. Кравецкий, В. В. Конокотин и др. 1998.
26. Баньковская И. Б., Горбатова Г. Н., Семов М. П. // Неорган. материалы. 2003. Т. 39, No 5. С. 566.
27. Удалов Ю.П., Германский А.М., Жабрев В.А. и др. Технология неорганических порошковых материалов и покрытий функционального назначения: Учеб. пос. для вузов / Под ред. Ю.П. Удалова. СПб.: СПбГТУ (ТИ), 2001.
28. Жабрев В. А., Сазонова М. В., Ефименко Л. П., Плот- никова А. С. // Физика и химия стекла. 2006. Т. 32, No 1. С. 106.
29. Заявка 2008127936/03 (РФ). Состав композиции для по- лучения защитного покрытия / В. А. Жабрев, М. В. Са- зонова, Л. П. Ефименко, А. С. Плотникова. 2010.
30. Сазонова М. В., Ефименко Л. П. // Тр. XXI Всеросс. совещ. по температуроустойчивым функц. покрытиям (Санкт-Петербург, 26–28 апр. 2010 г.). СПб.: Адмирал, 2010. С. 101.
31. Коловертнов Д. В. // Там же. С. 91.
32. Жабрев В. А. Диффузионные процессы в стеклах и
33. стеклообразующих расплавах. СПб.: НИИХ СПбГУ,
34.
35. Жабрев В.А. // Тр. XXI Всеросс. совещ. по температуроустойчивым функц. покрытиям (Санкт-Петербург,
36. –28 апр. 2010 г.). СПб.: Адмирал, 2010. С. 24.
37. Баньковская И. Б. // Там же. С. 10.
38. Сазонова М. В., Ефименко Л. П. // XX Всеросс. совещ. по температуроустойчивым функц. покрытиям (Санкт-Петербург, 27–28 нояб. 2007 г.). СПб.: Изд-во «ЛЕМА», 2007. С. 64.
39. Вержбицкая Т. М., Лейпунский И. О., Малкин А. И. // Изв. АН. Энергетика. 1996. No 6. С. 50.
40. Солнцев С. С., Исаева Н. В. // Тр. XVIII совещ. по температуроустойчивым функц. покрытиям (Тула, 15–17 мая 2001 г.). Тула: Изд-во Тул. гос. пед. ун-та им. Л. Н. Толстого, 2001. Ч. 2. С. 137.
41. Пат. 2189368 (РФ). Высокотемпературное покрытие / С. С. Солнцев, Н. В. Исаева, Г. В. Ермакова. 2002.
42. Пат. 2232738 (РФ). Высокотемпературное покрытие /
43. С. С. Солнцев, Н. В. Исаева, Г. В. Ермакова, В. И. Максимов. 2004.
44. Пат. 2253638 (РФ). Высокотемпературное покрытие /
45. С. С. Солнцев, Н. В. Исаева, Г. В. Ермакова, В. И. Максимов. 2005.
46. Солнцев С. С. // Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. «Актуальные вопросы авиационного материаловедения» (Москва, 26–27 июня 2007 г.). М.: ВИАМ, 2007. С. 86.
47. Молев Г. В., Мирзабекянц Н. С. // Химия тв. топлива. 1998. No 1. С. 89.
48. Кузнецов С. А., Кузнецова С. В., Калинников В. Т. // Тр. Междунар. науч.-техн. конф. «Научные идеи С. Т. Кишкина и современное материаловедение» (Москва, 25–26 апр. 2006 г.). М.: ВИАМ, 2006. С. 89.
49. Борило Л. П., Миронова Е. Г. // Конденсированные среды и межфазные границы. 2006. Т. 8, No 2. С. 101.
50. Бабин С. В., Хрипаков Е. В. // Науч. тр. МАТИ. 2006. Вып. 10 (82). С. 15.
51. Бабин С. В., Хрипаков Е. В. // Физика и химия обраб. материалов. 2007. No 3. С. 5.
52. Бабин С. В., Хренов В. В. // Науч.-техн. вестн. Поволжья. 2011. No 3. С. 49.
53. Хренов В. В., Бабин С. В. // Тез. докл. 10-й Междунар. конф.
54. «Авиация и космонавтика – 2011» (Москва, 8–10 нояб. 2011 г.). СПб.: Мастерская печати, 2011. С. 185.
55. Пат. 2120494 (РФ). Способ получения на подложке защитных покрытий с градиентом химического состава и структуры по толщине с внешним керамическим слоем, его вариант / Б. А. Мовчан, Ю. Э. Рудой, И. С. Малашенко. 1998.
56. Андриевская Е.Р. // Тр. XX Всеросс. совещ. по температуроустойчивым функц. покрытиям (Санкт- Петербург, 27–28 нояб. 2007 г.). СПб.: Изд-во «ЛЕМА», 2007. С. 16.
57. Фролов А. А., Андриевская Е. Р., Корниенко О. А., Фролов Ю. А. // Новые огнеупоры. 2007. No 6. С. 68.
58. Lopato L. M., Andrievskaya E. R. // Powder Metall. and Metal Ceram. 2001. Vol. 40, No 7–8. P. 405.
59. Севастьянов В. Г., Симоненко Е. П., Симоненко Н. П., Кузнецов Н. Т. // Тр. XXI Всеросс. совещ. по температуроустойчивым функц. покрытиям (Санкт- Петербург, 26–28 апр. 2010 г.). СПб.: Адмирал, 2010. С. 57.
60. Саркисов П. Д., Попович Н. В., Орлова Л. А., Ананьева Ю.Е. // Там же. С. 54.
61. Севастьянов В. Г., Симоненко Е. П., Игнатов Н. А. и др. // Композиты и наноструктуры. 2009. No 1. С. 50.
62. Кузнецов Н. Т., Саркисов П. Д., Рыбин В. В. и др. // Тр. XX Всеросс. совещ. по температуроустойчивым функц. покрытиям (Санкт-Петербург, 27–28 нояб. 2007 г.). СПб.: Изд-во «ЛЕМА», 2007. С. 49.
63. Пат. 2322425 (РФ). Способ поверхностной и объемной защиты керамоматричных композитов типа C/SiC и SiC/SiC / Н. Т. Кузнецов, П. Д. Саркисов, В. В. Рыбин и др. 2008.
64. Будиновский С.А., Мубояджян С.А., Гаямов А.М. //Авиац. пром-сть. 2008. No 4. С. 33.
65. Мубояджян С. А., Будиновский С. А., Гаямов А. М., Смирнов А. А. // Авиац. материалы и технологии. 2012. No 4. С. 3.
66. Шабанова Н. А., Попов В. В., Саркисов П. Д. Химия и технология нанодисперсных оксидов. М.: Академ-книга, 2006.
67. Шабанова Н. А., Саркисов П. Д. Золь-гель технологии.
68. Нанодисперсный кремнезем. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012.
69. Костиков В. И., Проценко А. К., Колесников С. А., Кравецкий Г. А. // Авиакосм. техника и технология. 2007. No 1. С. 18.
70. Пат. 2082694 (РФ). Способ получения защитных покрытий на материалах и изделиях с углеродсодержащей основой / В. В. Родионова, Г. А. Кравецкий, Н. М. Шестакова и др. 1997.
71. Пат. 2002722 (РФ). Способ нанесения покрытия на изделия из углерод-углеродного композиционного материала / Е. А. Богачев, А. Н. Тимофеев, М. В. Пост- никова, Ю. П. Зотов. 1993.
72. Змий В. И., Огиенко Д. Н., Полтавцев Н. С. // Порошк. металлургия. 1996. No 3/4 (384). С. 47.
73. Змий В. И., Карцев Н. Ф., Ковтун Н. В., Руденький С.Г. // Тр. XVIII совещ. по температуроустойчивым функц. покрытиям (Тула, 15–17 мая 2001 г.). Тула: Изд-во Тул. гос. пед. ун-та им. Л. Н. Толстого, 2001. Ч. 2. С. 72.
74. Змий В.И., Картмазов Г.Н., Карцев Н.Ф. и др. // Порошк. металлургия. 2006. No 3/4 (448). С. 21.
75. Змий В. И., Руденький С. Г., Карцев Н. Ф., Бредихин М.Ю. // Тр. XX Всеросс. совещ. по температуро- устойчивым функц. покрытиям (Санкт-Петербург, 27–28 нояб. 2007 г.). СПб.: Изд-во «ЛЕМА», 2007. С. 40.
76. Змий В. И., Руденький С. Г., Карцев Н. Ф., Бредихин М. Ю. // Вiсник УМТ. 2009. No 1 (2). С. 36.
77. Кузнецова С. В., Глаголевская А. Л., Кузнецов С. А. // Расплавы. 1992. Т. 6. С. 29.
78. Кузнецов С. А., Кузнецова С. В., Глаголевская А. Л. // Журн. прикл. химии. 1995. Т. 68. С. 408.
79. Кузнецов С. А., Девяткин С. В., Кузнецова С. В., Калинников В.Т. // Тр. Междунар. науч.-техн. конф. «Научные идеи С.Т. Кишкина и современное материаловедение» (Москва, 25–26 апр. 2006 г.). М.: ВИАМ, 2006. С. 322.
80. Кузнецов С.А. // Тр. XXI Всеросс. совещ. по температу- роустойчивым функц. покрытиям (Санкт-Петербург, 26–28 апр. 2010 г.). СПб.: Адмирал, 2010. С. 36.
81. Кузнецов С. А. // Тез. докл. Междунар. конф. «Фундаментальные аспекты коррозионного материаловедения и защиты металлов от коррозии», посвященной 110-летию со дня рождения чл.-кор. АН СССР проф. Г. В. Акимова (Москва, 18–20 мая 2011 г.). С. 100.
82. Семченко Г. Д., Шутеева И. Ю., Кущенко М. А. // Тр. XX Всеросс. совещ. по температуроустойчивым функц. покрытиям (Санкт-Петербург, 27–28 нояб. 2007 г.). СПб.: Изд-во «ЛЕМА», 2007. С. 66.
83. Пат. 2154122 (РФ). Композиционный жаростойкий и жаропрочный материал / Б. А. Гнесин, Б. М. Эпельба- ум, П. А. Гуржиянц. 2000.
84. Пат. 2160790 (РФ). Композиционный жаропрочный и жаростойкий материал / Б. А. Гнесин, П. А. Гуржиянц. 2000.
85. Пат. 2178958 (РФ). Жаростойкий материал / Б. А. Гнесин, П. А. Гуржиянц. 2002.
86. Гнесин Б. А., Гнесин И. Б. // Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. «Актуальные вопросы авиационного материаловедения» (Москва, 26–27 июня 2007 г.). М.: ВИАМ, 2007. С. 93.
87. Терентьева В.С.//Жаропрочные и жаростойкие металлические материалы: физико-химические процессы создания. М.: Наука, 1987. С. 106.
88. Терентьева В. С. // Поверхностный слой, точность, эксплуатационные свойства и надежность деталей машин и приборов: Матер. сем. М.: МДНТП, 1990. С. 38.
89. Пат. 2082824 (РФ). Способ защиты жаропрочных материалов от воздействия агрессивных сред высокоскоростных газовых потоков (варианты) / В.С. Терентьева, О. П. Богачкова, Е. В. Горячева. 1997.
90. Pat. 703883 B1 (EPO). Method for protecting products made of a refractory material against oxidation, and resulting protected products / V.S. Terentieva, O. P. Bogachkova, E. V. Goriatcheva. 1996.
91. Pat. 5677060 (US). Method for protecting products made of a refractory material against oxidation, and resulting protected products / V. S. Terentieva, O. P. Bogachkova, E. V. Goriatcheva. 1997.
92. Пат. 2437961 (РФ). Способ восстановления высокотемпературного кремнийсодержащего защитного покрытия на жаропрочных конструкционных материалах / В. С. Терентьева, А. И. Еремина, Б. Е. Жестков, А. Н. Астапов. 2011.
93. Terentieva V. S., Bogachkova O. P., Cornu D., Laramas C. // Proc. 14-th Intern. Plansee Sem. (Reutte, Tirol, Austria, 12–16 May 1997). Plansee AG, 1997. Vol. 1. P. 697.
94. Terentieva V. S. // Proc. 16-th Intern. Plansee Sem. «High Performance P/M Materials» (Reutte, Austria, 30 May– 3 June 2005). Plansee AG, 2005. Vol. 2. P. 218.
95. Terentieva V. S., Zhestkov B. E. // Proc. 17-th Plansee Sem. Intern. Conf. on High Performance P/M Materials (Reutte, Austria, 25–29 May 2009). Plansee Group, 2009. Vol. 1. P. RM 14/1.
96. Терентьева В. С., Жестков Б. Е. // Хим. физика. 2009. Т. 28, No 5. С. 64.
97. Жестков Б. Е., Терентьева В. С. // Металлы. 2010. No 1. С. 39.
98. Астапов А. Н., Терентьева В. С. // Завод. лаб. Диагностика материалов. 2010. Т. 76, No 7. С. 24.
99. Terentieva V. S., Kasatkin A.V., Eremina A. I., Astapov A. N. // Europ. Corrosion Congr. «EUROCORR 2010» (Moscow, 13–17 Sept. 2010). М.: МАКС Пресс, 2010. С. 456.
100. Терентьева В. С., Астапов А. Н., Жестков Б. Е., Еремина А. И. // Матер. Всеросс. науч.-техн. конф. «Новые материалы и технологии – НМТ-2010» (Москва, 16–18 нояб. 2010 г.). М: Изд. центр МАТИ, 2010. Т. 1. С. 75.
101. Astapov A. N., Terentieva V. S. // Russian-French Symp. on Composite Materials (Saint Petersburg, 10–13 July 2012). СПб.: СПбГУ, 2012. С. 46.
102. Терентьева В. С., Астапов А. Н. // Тез. докл. IV Междунар. конф. «HighMatTech-2013» (Киев, 7–11 окт. 2013 г.). Киев: Наук. видання, 2013. С. 329.
103. 
Рецензия
Для цитирования:
Астапов А.Н., Терентьева В.С. Обзор отечественных разработок в области защиты углеродсодержащих материалов от газовой коррозии и эрозии в скоростных потоках плазмы. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2014;(4):50-70. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2014-4-50-70
For citation:
Astapov A.N., Terentieva V.S. Review of Home-Grown Technologies in the Field of Protection of Carbon-bearing Materials from Gaseous Corrosion and Erosion in Plasma’s High-Speed Flow. Powder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya). 2014;(4):50-70. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1997-308X-2014-4-50-70