Обзор отечественных разработок в области защиты углеродсодержащих материалов от газовой коррозии и эрозии в скоростных потоках плазмы

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. 

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.