Жаростойкие реакционноотверждаемые покрытия для защиты жаропрочных никелевых сплавов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.09, кандидат наук Денисова Валентина Сергеевна
- Специальность ВАК РФ05.16.09
- Количество страниц 126
Оглавление диссертации кандидат наук Денисова Валентина Сергеевна
Введение
Глава 1 Обзор литературы
1.1 Жаростойкие никелевые сплавы (ЖНС)
1.2 Современное состояние в области покрытий для защиты ЖНС авиационного назначения
1.2.1 Термобарьерные покрытия
1.2.2 Жаростойкие эмалевые покрытия
1.2.3 Современное состояние в области разработки жаростойких эмалевых покрытий
1.3 Покрытия для плиточной теплозащиты орбитальных космических кораблей
и их преимущества
Выводы по главе I, постановка цели исследования
Глава 2 Объекты и методы исследований
2.1 Исходные компоненты и их характеристики
2.2 Методы исследований
Глава 3 Разработка технологии получения реакционноотверждаемых
покрытий
3.1 Получение и исследование свойств барийалюмосиликатных стекол
3.2 Влияние различных модифицирующих добавок на свойства покрытий
3.3 Изготовление и исследование свойств тетраборида кремния
3.4 Выбор параметров изготовления гидросуспензий реакционноотверждаемых покрытий
3.5 Влияние тетраборида кремния на параметры формирования
реакционноотверждаемых покрытий
Глава 4 Исследование особенностей структурообразования
реакционноотверждаемых покрытий
4.1 Оценка теплофизических характеристик покрытий
4.1.1 Исследование текучести покрытий
4.1.2 Исследование плавкости и дилатометрических свойств покрытий
4.2 Исследование процесса формирования структуры реакционноотверждаемых покрытий в ходе высокотемпературного обжига
4.2.1 Исследование свойств тетраборида кремния и реакционноотверждаемых покрытий методом синхронного термического анализа
4.2.2 Исследование поверхности покрытий методом атомной силовой микроскопии и сканирующей электронной микроскопии
4.2.3 Графическая модель и модель вязкоупругости
реакционноотверждаемых покрытий
Глава 5 Эффективность защитного действия реакционноотверждаемых
покрытий на жаропрочном никелевом сплаве ВЖ171
5.1 Испытания реакционноотверждаемых покрытий на жаростойкость
5.2 Испытания реакционноотверждаемых покрытий на термостойкость
5.3 Влияние реакционноотверждаемого покрытия на механические 91 свойства сплава ВЖ171
5.4 Оценка эффективности защитного действия покрытий методом 93 сканирующей электронной микроскопии и электронно-зондового микроанализа
5.5 Исследование прочности сцепления реакционноотверждаемых 97 покрытий на сплаве ВЖ171 методом склерометрии
Общие выводы по работе
Список используемых сокращений
Список литературы
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Материаловедение (по отраслям)», 05.16.09 шифр ВАК
Проектирование многокомпонентных жаростойких покрытий монокристаллических лопаток ГТД на основе оценки их структурной и фазовой стабильности2012 год, кандидат технических наук Зайцев, Николай Агафангелович
Влияние структурных изменений на свойства жаропрочных никелевых сплавов при дисперсном упрочнении нитридами легирующих элементов2015 год, кандидат наук Ромашов, Антон Сергеевич
Метод восстановления работоспособности рабочих лопаток турбины ГТД за счет применения усовершенствованного защитного покрытия2019 год, кандидат наук Амуи Али Мохаммад
Структурная и фазовая стабильность жаростойких интерметаллидных сплавов и покрытий на основе β-фазы системы (Ni, Co, Fe)-Cr-Al2002 год, доктор технических наук Косицын, Сергей Владимирович
Многослойные высокотемпературные покрытия для жаропрочных титановых и никелевых сплавов и технологии их нанесения2019 год, кандидат наук Золотарева Анна Юрьевна
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Жаростойкие реакционноотверждаемые покрытия для защиты жаропрочных никелевых сплавов»
Введение
Актуальность темы. Развитие авиационного двигателестроения в России и за рубежом во многом обусловлено прогрессом в области создания новых материалов и технологий [1]. К материалам, применяемым в конструкции деталей ГТД, предъявляются всё более жёсткие требования.
В конструкции камер сгорания ГТД для изготовления деталей и узлов, работающих в особо теплонапряжённых условиях (жаровых труб, элементов сопла, форсажной камеры), применяются жаростойкие свариваемые никелевые сплавы на М-Сг, М-Сг-Со основах [2]. При их эксплуатации основным видом повреждений поверхности является высокотемпературная газовая коррозия. Интенсивное воздействие потока продуктов сгорания серийных топлив на поверхность сплавов вызывает развитие процессов их необратимого разрушения и потери прочностных характеристик. С целью повышения надёжности и ресурса деталей горячей части ГТД в отечественном авиастроении широко применяются жаростойкие эмалевые покрытия типа ЭВ, ЭВК, ВЭС, являющиеся барьером на пути агрессивных сред и препятствующие интенсивному окислению сплавов при температурах эксплуатации [3]. Широкое внедрение жаростойким эмалям обеспечили их очевидные преимущества: технологичность, высокая адгезия к защищаемой подложке, возможность нанесения эмалевых покрытий на габаритные изделия широкой номенклатуры материалов, ремонтоспособность, экологичность, применение в составе покрытий недефицитного отечественного сырья.
В ФГУП «ВИАМ» разработаны и внедрены в конструкцию серийных изделий высокотемпературные свариваемые никелевые сплавы марок ВЖ155 и ВЖ171, упрочняемые ХТО и превосходящие по своим характеристикам современные отечественные и зарубежные сплавы на хромоникелевой основе [4]. Отличительной особенностью сплавов ВЖ155 и ВЖ171 является то, что изготовление конструкции (ковка, прокатка, штамповка, сварка) производится из неупрочнённого высокотехнологичного материала,
аналогичного гомогенным сплавам. Специальной ХТО подвергается готовая деталь или узел. При этом обеспечиваются повышение рабочей температуры детали до 1250°С, снижение охлаждаемого воздуха и топлива. Однако серийные жаростойкие эмали типа ЭВК, работоспособные при температурах до 1000-1100°С, не способны обеспечивать длительную защиту сплавов типа ВЖ171. Таким образом, является актуальной проблема разработки жаростойких эмалевых покрытий для длительной защиты современных жаростойких никелевых сплавов от высокотемпературной газовой коррозии при температурах до 1250°С. Данная проблема усложнена тем, что обжиг эмалевых покрытий проводят при температурах на 200-300°С выше рабочей. Обжиг при температурах 1450-1500°С приведёт к разупрочнению, короблению и потере прочностных свойств деталей из жаропрочных никелевых сплавов. В связи с этим актуальность приобретают работы по созданию жаростойких стеклокерамических покрытий, формируемых при температурах, близких к рабочим.
Актуальность работы подтверждается тем, что она была поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований № 18-33-00207 «Исследование физико-химических процессов формирования структуры высокотемпературных жаростойких стеклокерамических покрытий, содержащих добавки боридов и формируемых при температурах, близких к рабочим», а также патент №2661942 «Жаростойкое покрытие» (авторы Е.Н. Каблов, С.С. Солнцев, В.А. Розененкова, В.С. Денисова) награжден дипломом «100 лучших изобретений России-2018» Федеральной службы по интеллектуальной собственности.
Цель работы: разработка жаростойкого реакционноотверждаемого покрытия на основе тугоплавких стёкол в системе BaO-Al2O3-SiO2 и тетраборида кремния SiB4 для защиты жаропрочных свариваемых никелевых сплавов системы М-Со-Сг типа ВЖ171 при температурах 1200-1250°С.
Задачи работы:
1. Создание реакционноотверждаемых покрытий с композиционной структурой, обуславливающей их высокую температуроустойчивость при температурах эксплуатации 1200-1250°С;
2. Разработка составов и технологии получения реакционноотверждаемых покрытий, обладающих температурой формирования (обжига), отличающейся от температуры эксплуатации не более, чем на 10-15%;
3. Исследование и выявление закономерностей физико-химических процессов и структурных превращений, протекающих при формировании и в процессе эксплуатации реакционноотверждаемых покрытий для защиты жаропрочных никелевых сплавов системы М-Со-Сг типа ВЖ171;
4. Проведение исследований свойств (жаростойкость, термостойкость, прочность сцепления и др.) реакционноотверждаемых покрытий на упрочненном азотированием сплаве ВЖ171 системы М-Со-Сг и определение оптимальных составов, обеспечивающих эффективную защиту жаропрочных никелевых сплавов при температурах 1200-1250°С.
Научная новизна работы:
1. Впервые разработаны, теоретически и экспериментально обоснованы температуростойчивые реакционноотверждаемые покрытия для защиты при температурах 1200-1250°С жаропрочных азотированных никелевых сплавов на основе системы М-Со-Сг, обеспечивающие возможность формирования (обжига) покрытий при температурах меньших на 20-70°С или равных температуре эксплуатации;
2. Установлено, что в ходе высокотемпературного обжига процесс окисления модифицирующей добавки тетраборида кремния SiB4 лимитирован размягчением матричного стекла в системе BaO-Al2O3-SiO2 при температуре 725,6°С и образованием в ходе окисления SiB4 боросиликатного стекла, в связи с чем происходит формирование структурного элемента "ядро-оболочка" в виде частиц тетраборида кремния в оболочках боросиликатного стекла;
3. Показано, что формируемая при высокотемпературном обжиге композиционная высоковязкая структура реакционноотверждаемых покрытий и сохранение неокисленных частиц тетраборида кремния является необходимыми условиями обеспечения защиты реакционноотверждаемыми покрытиями для защиты жаропрочных никелевых сплавов на основе системы М-^-О при температурах 1200-1250°С;
4. Методами электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа подтверждена эффективность защитного действия реакционноотверждаемых покрытий на сплаве ВЖ171, упрочненного азотированием, заключающаяся в сохранении упрочняющей фазы нитридов титана после испытаний при температуре 1200°С в течение 100 ч. Разработана четырехкомпонентная нелинейная модель вязкоупругости, характеризующая релаксационные свойства и механизм защитного действия реакционноотверждаемых покрытий.
Положения, выносимые на защиту:
1. Создание жаростойкого реакционноотверждаемого покрытия, обеспечивающего защиту жаропрочных никелевых сплавов типа ВЖ171 при температурах 1200-1250°С;
2. Оптимальные режимы подготовки исходных компонентов, размола, нанесения и обжига разработанных покрытий на жаропрочные никелевые сплавы системы М-^-О";
3. Снижение температуры обжига разработанных покрытий на 20-70°С при одновременном повышении температуроустойчивости с увеличением содержания SiB4 в сравнении с аналогичными композициями покрытий, не содержащими SiB4;
4. Результаты микроструктурных исследований, теплофизические свойства, эксплуатационные свойства реакционноотверждаемых покрытий.
Объект и предмет исследования
Объектом исследования являются образцы реакционноотверждаемых покрытий на основе барийалюмосиликатных стекол и тетраборида кремния, а также образцы сплавов системы М-Со-Сг типа ВЖ171 с нанесенными реакционноотверждаемыми покрытиями.
Предметом исследования являются защитные свойства реакционноотверждаемых покрытий при температурах 1200-1250°С на жаропрочном никелевом сплаве ВЖ171.
Практическая значимость работы
1. Установлено, что с увеличением содержания в покрытиях SiB4 до 5% масс. температура формирования покрытий снижается на 20-70°С относительно составов без SiB4, жаростойкость покрытий при 1200°С (100 ч)
Л
увеличивается в 5 раз (0,09 и 0,095 г/м для составов 85-10-5 и 80-15-5, 0,551
Л
г/м для состава 99-0-1).
2. Разработанная технология может быть внедрена в собственное производство ФГУП «ВИАМ» на участке защитных технологических и жаростойких покрытий с объёмом выпуска до 1000 кг/год.
3. Результаты работы использованы в качестве научно-технического задела при выполнении НИР шифр «Твердость» в рамках госконтракта от 20.12.2019 г. №19208.4452018.18.001 с Минпромторгом РФ.
Достоверность и обоснованность результатов исследования:
Применение поверенных и аттестованных средств измерения, а также современных методов исследования, таких, как высокотемпературная дилатометрия (ДТА), синхронный термический анализ (СТА), электронная микроскопия и других методов, широко используемых в мировой практике, а также комплексные исследования большого количества экспериментальных образцов обеспечивают достоверность и обоснованность результатов исследования.
Личный вклад автора Личное участие соискателя состоит в разработке и изготовлении экспериментальных образцов реакционноотверждаемых покрытий и выборе технологических режимов их получения, проведении испытаний на растекаемость, седиментационную устойчивость шликеров, исследования методами ДТА, СТА, размера частиц методом лазерной дифракции, текучести. При непосредственном участии соискателя проведены испытания на жаростойкость, термостойкость, исследования методом электронной микроскопии, методом склерометрии.
Апробация и публикации по теме работы
Основные результаты работы изложены в 8 научных публикациях, из них 7 в изданиях, включённых в перечень ВАК, 1 патенте РФ.
Основные положения и результаты работы были доложены на Молодежной конференции «Фундаментальные научные основы современных комплексных методов исследований и испытаний материалов, а также элементов конструкций» (ФГУП «ВИАМ», г. Москва, 2015), Всероссийской научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века» (ФГУП «ЦИАМ имени П.И. Баранова, г. Москва, 2015), конференции «Современные достижения в области создания перспективных неметаллических композиционных материалов и покрытий для авиационной и космической техники» (ФГУП «ВИАМ», г. Москва, 2015), конференции «Неорганическая
химия - фундаментальная основа материаловедения керамических, стеклообразных и композиционных материалов» (ИХС им. И.В. Гребенщикова РАН, г. Санкт-Петербург, 2016), XXI международной научно-технической конференции «Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов» (АО «ОНПП «Технология» им. А.Г. Ромашина», г. Обнинск, 2016), XIII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН, г. Москва, 2016, доклад удостоен диплома 1 степени), XXI научно-технической конференции молодых учёных и специалистов РКК «Энергия» (ПАО «РКК «Энергия», г. Королёв, 2017, доклад удостоен 3 премии), III Всероссийской научно-технической конференции «Высокотемпературные керамические композиционные материалы и защитные покрытия» (ФГУП «ВИАМ», г. Москва, 2018), 18-й Международной конференции «Авиация и космонавтика-2019» (МАИ (НИУ), г. Москва, 2019), VI Всероссийской научно-технической конференции «Роль фундаментальных исследований при реализации Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» (ФГУП «ВИАМ», г. Москва, 2020). Соискатель является лауреатом XVI Всероссийского конкурса «Инженер года-2015» в номинации «Керамическое производство», лауреатом конкурса «Московские мастера-2016» в номинации «инженер-технолог».
Глава 1. Аналитический обзор литературы
1.1 Жаропрочные никелевые сплавы (ЖНС), их свойства и применение в конструкции авиационной и космической техники
Жаропрочные никелевые сплавы широко применяются в конструкции авиационной техники, преимущественно для теплонагруженных ответственных узлов ГТД (компрессоров высокого давления, камер сгорания и др.) [5, 6].
Жаропрочный никелевый сплав ВЖ171 - листовой свариваемый материал, максимальная рабочая температура которого достигает 1250°С, а значения жаропрочности при рабочих температурах в 3-4 раза выше, чем у серийных материалов аналогичного применения. В таблице 1 представлены данные о механических свойствах сплава ВЖ171 и его аналогов.
Таблица 1 - Механические свойства (средние значения) свариваемых
жаростойких сплавов [7]
Сплав Рабочая температура, °С 20° ив ^.1000° °100 ^.1100° °100 _1200° °100
МПа
ВЖ171 1250 870 70 45 23
ЭП648 1000 930 29 - -
ВЖ98 1000 880 25 - -
ВЖ145 1100 900 45 18 -
Haynes 188 1100 900 45 15 -
Преимущества достигаются за счёт проведения химико-термической обработки (внутреннего азотирования), в результате которой сплав ВЖ171 упрочняется частицами нитридов титана, в том числе наноразмерными, стабильными вплоть до температуры плавления сплава. Сплав ВЖ171 предназначен для изготовления тонкостенных деталей ГТД (жаровых труб камер сгорания, деталей форсажных камер, реактивного сопла). На рисунке 1 представлен общий вид жаровой трубы их никелевого сплава ВЖ171 для двигателя ВК-2500.
Рисунок 1 - Общий вид жаровой трубы из никелевого сплава ВЖ171
Для сплавов типа ВЖ171 и ВЖ159 характерна параболическая зависимость окисления при температурах 1000-1150°С. В процессе окисления сплавов системы М-Со-Сг на поверхности образуется оксидная плёнка, состав которой изменяется в зависимости от температуры и продолжительности термообработки, при этом, как правило, образуется несколько слоёв - тонкий поверхностный слой, содержащий оксид никеля МО и соединения шпинели М0Сг203; и глубокий слой, обогащённый легирующими элементами. При кратковременном воздействии температуры в окалинном слое образуются оксиды шпинельного типа с включением №О и а-Сг203. С ростом температур состав окалины в основном содержит фазы Сг203 и МСг204. Присутствие в никелевых сплавах молибдена и ниобия приводит к увеличению окисляемости сплава за счёт рыхлого подокалинного слоя [8].
На рисунке 2 представлены кривые окисления жаростойкого никелевого сплава ВЖ159 со стеклоэмалевым покрытием при температурах 1000-1050°С.
Рисунок 2 - Окисляемость сплава ВЖ159 (1, 2 - без покрытия, 3, 4 - с покрытием) в интервале температур 1000-1050°С [8].
Для обеспечения надёжности и увеличения ресурса изделий из никелевых сплавов при эксплуатации требуется применение высокотемпературных защитных покрытий.
Для длительной защиты современных сверхвысокотемпературных никелевых сплавов типа ВЖ171 при температурах 1150-1250°С требуется создание покрытий, работоспособных при указанных температурах, и при этом не ухудшающих механических свойств сплавов в процессе формирования покрытий, что особенно актуально для высокоответственных теплонагруженных тонкостенных деталей ГТД (жаровых труб, форсажных камер и др.).
1.2 Современное состояние в области покрытий для защиты ЖНС авиационного назначения
1.2.1 Термобарьерные покрытия
В конструкции современных двигателей авиационного назначения за рубежом широко применяют термобарьерные покрытия (в зарубежной литературе применяется сокращение TBCs) для защиты жаропрочных сплавов на основе никеля ^ирегаПоу) от высокотемпературного окисления. Покрытия обычно состоят из трех слоев: металлического (связующего) и
керамического, наносимых чаще всего методами высокоскоростного газопламенного напыления (high velocity oxygen fuel, HVOF), плазменного напыления в воздушной атмосфере (air plasma spray, APS) или электроннолучевым методом физического осаждения из паровой фазы (electron-beam physical vapour deposition, EB-PVD), и слоя термически выращенного оксида, формируемого в процессе эксплуатации или термической обработки между связующим и керамическим слоем [9].
Внедрение зарубежом термобарьерные покрытия получили за счёт низкой теплопроводности, высокой стойкости к термоударам и способности к значительному уменьшению диффузии кислорода к защищаемому сплаву, что позволило применять покрытия данного класса для защиты наиболее ответственных и теплонагруженных деталей от высокотемпературной газовой коррозии [10].
Металлический (связующий) слой (bond coat), устойчивый против окисления наносится на поверхность сплава (подложку, основу) и служит также для сглаживания разницы термического расширения между сплавом и керамическим покрытием. В качестве металлического слоя наиболее часто используется соединение MCrAlY, где M=Ni и/или Co, например Ni-22Cr-10Al-1,0Y, с добавлением тантала Ni-23Co20Cr8.5Al4Ta0.6Y, системы NiAlPt. Керамический слой препятствует отводу тепла внутрь жаропрочного сплава. Керамический слой обычно состоит из 8 масс.% (4,5 мол.%) стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония (YSZ) или других цирконатов (алюминатов) на основе соединения AxByO7, где А -редкоземельный элемент, Ce, Dy, B - Zr, или Al. Наиболее широкое применение в качестве барьерного слоя покрытия до сих пор находит соединение на основе YSZ. Значительное число публикаций посвящено определению микроструктуры, теплопроводности, циклической жаростойкости и максимальной рабочей температуры покрытий на основе YSZ, в зависимости от состава покрытия (экспериментально и путем
моделирования) [11]. Схема структуры термобарьерных покрытий представлена на рисунке 3.
Перспективными материалами для керамического слоя считаются два типа соединений: оксиды редкоземельных элементов, легированные 7Ю2: Ьа203, Ш203, Оё2Э3, УЬ203 и Sc2O3, а также керамика на основе цирконатов редкоземельных элементов La2Zr207, 0ё^г207 и Sm2Zr207, имеющих термическую проводимость ниже, чем YSZ.
Рисунок 3 - Структура термобарьерных покрытий
К термобарьерным покрытиям предъявляются три основных требования: низкая температуропроводность, стабильность при высоких температурах, высокая долговечность, а также ряд дополнительных требований -сопротивление эрозии, невосприимчивость к внешним повреждениям, сопротивление химическому взаимодействию с частицами присутствующими в газе, такими как сера и ванадий или кальций-магний-алюмо-силикаты (CMAS).
За рубежом разработаны покрытия на рабочие температуры 900-1350°С (ОегНсоп Metco Швейцария, Sulser Швейцария, США), применяемые преимущественно для защиты лопаток на основе жаропрочных никелевых легированных суперсплавов. Отечественные разработки в области термобарьерных покрытий позволили получить высокоэффективные покрытия типа СДП и ВСДП, работоспособные при температурах до 1200°С.
15
До настоящего времени термобарьерные покрытия не нашли широкого распространения в отечественном двигателестроении для защиты деталей камеры сгорания, что обусловлено рядом недостатков покрытий данного класса [12]:
- значительная открытая пористость наносимых покрытий, в связи с чем термобарьерные покрытия наносят в несколько слоёв;
- растрескивание покрытия в связи с разницей ТКЛР большинства применяемых в настоящее время составов материала покрытия и подложки;
- высокие температуры спекания материалов керамических слоёв термобарьерных покрытий (температура спекания YSZ выше 1273°С);
- вероятность протекания фазовых переходов в материалах керамических слоёв, что может приводить к потере термобарьерных свойств покрытий;
- сложная технология нанесения, требующая применения специального оборудования;
- дороговизна термобарьерных покрытий, компенсируемая за рубежом за счёт применения более дешевых и менее легированных материалов, и неприемлемая в отечественном двигателестроении.
1.2.2 Жаростойкие эмалевые покрытия
Для защиты жаропрочных никелевых сплавов и коррозионностойких сталей в отечественном авиастроении широко применяются жаростойкие эмали, являющиеся барьером на пути агрессивных сред и регламентирующие окисление сплавов. Успешное применение жаростойких силикатных эмалей в авиакосмической технике обусловлено их преимуществами: технологичность, высокая прочность сцепления с металлами и сплавами, отсутствие пористости и исключение диффузии компонентов из газовой среды к сплаву и из сплава в покрытие, ремонтоспособность, невысокая стоимость. Технология нанесения позволяет получать эмалевые покрытия на крупногабаритных деталях
сложной формы (рисунок 4). Необходимыми требованиями для эффективной защиты сплавов при эксплуатации являются [13]:
• формирование сплошного защитного слоя покрытия при сравнительно низкой температуре для предотвращения интенсивного окисления сплава на начальных стадиях нагрева;
• растворение окисных пленок, образующихся на металле при нагреве без потери защитных свойств покрытия;
• достаточно высокая вязкость и плотность защитного слоя для уменьшения диффузии газов из атмосферы печи;
• прочное сцепление покрытий со сплавом за счет переходных диффузионных слоев, что обуславливает высокую надежность эксплуатации в условиях резких температурных перепадов;
• общая тугоплавкость всей системы покрытия, которая обеспечивает их длительную эксплуатацию при высоких температурах.
Исследования жаростойких эмалевых покрытий для защиты никелевых сплавов начались в 50-х годах 20-го века с создания жаростойкой эмали А-417 в США и эмали ЭВ-55А в ВИАМ , где токсичный оксид ВеО, входящий в состав эмали А-417, заменен на MgO [14].
В отличие от известных зарубежных жаростойких эмалей авиационного назначения, основу которых составляют SiO2 (35-45 масс. %) и BaO (30-40 масс. %), в ВИАМ созданы высококремнеземные (содержание SiO2 55-65 масс. %) многоборные жаростойкие эмали в системе ВаО-Л^з-SiO2 с малым содержанием ВаО (ЭВК-103) на рабочие температуры 1000°С длительно (рисунок 5), 1100°С кратковременно [15]. Стеклокристаллические покрытия типа ЭВК на основе сложных смесей оксидов и тугоплавких соединений получают с участием процессов катализированной кристаллизации. Покрытия отличаются прочным сцеплением с металлической подложкой, газоплотностью, прочной химической связью, высокой жаростойкостью, термостойкостью и термодинамически устойчивы в скоростных агрессивных газовых потоках в широком температурном
интервале (600-1100)°С. При этом покрытия обладают высокой коррозионной стойкостью, устойчивы к действию низких температур, выдерживают циклические нагрузки и тепловой удар без разрушения и одновременное воздействие высоких температур и агрессивных компонентов продуктов сгорания топлива (соединения серы, хлора и др.).
Рисунок 4 - Детали с эмалевыми покрытиями: а - жаровая труба с жаростойкой эмалью ЭВК-103, б - сегмент жаровой трубы с жаростойким
покрытием ВЭС-104М
О 20 40 €0 80 100 Время, ч
Рисунок 5 - Кинетика окисления жаропрочного сплава ЭП648 без покрытия и с покрытием ЭВК-103 при температуре испытания 1000°С
Отечественные разработки в области жаростойких эмалевых покрытий для жаростойких никелевых сплавов и коррозионностойких сталей свидетельствуют, что стеклообразующая система ВаО-А12Оз-БЮ2 является наиболее перспективной для получения высокотемпературных покрытий, отличающихся технологичностью, широким интервалом размягчения
а
б
Сплав с -*— накрытием ЭВК-103
С плав &ез шжрытня
(рисунок 6), достаточной тугоплавкостью [16-19]. Составы в системе ВаО-А1203-8Ю2 при добавлении модифицирующих наполнителей позволяют получать жаростойкие покрытия, обеспечивающие эффективную защиту образцов и деталей из жаростойких никелевых сплавов [20].
Рисунок 6 - Кривая зависимости вязкости жаростойких эмалей от
температуры
Однако температура эксплуатации современных высокожаростойких никелевых сплавов типа ВЖ 171 достигает 1150-1250°С. Применение серийных эмалей для защиты указанных сплавов невозможно ввиду их неработоспособности при столь высоких температурах. Температуры эксплуатации и обжига эмалей в значительной мере определяются температурной зависимостью вязкости исходной фритты (стекла). Низкая вязкость фритты при температуре обжига эмали способствует получению сплошного глянцевого слоя, прочно закрепленного на металле. Достаточно высокая вязкость эмали при рабочих температурах обеспечивает возможность ее надежной эксплуатации в высокоскоростном газовом потоке. Решение проблемы высокотемпературной защиты сплавов силикатными эмалями осложнено также трудностями получения этих покрытий, поскольку требуется температура обжига 1350-1450°С, что приводит к короблению, разупрочнению и потере свойств деталей из жаростойких сплавов.
1.2.3 Современное состояние в области разработки жаростойких эмалевых покрытий
В зарубежных исследованиях последних лет рассматриваются химические составы стёкол, используемых в качестве основы новых жаростойких покрытий для защиты от высокотемпературной газовой коррозии никелевых и титановых жаропрочных конструкционных сплавов.
Высокотемпературная газовая коррозия крайне агрессивна ввиду воздействия повышенных температур эксплуатации и конденсированных фаз Ка2БО4 и N0. Стеклоэмалевые жаростойкие покрытия позволяют повысить стойкость материала подложки к воздействию агрессивных сред.
По данным анализа научно-технических источников, в настоящее время не существует зарубежных аналогов, способных обеспечить эффективную защиту жаропрочных никелевых сплавов авиационного назначения. В Таблице 2 представлены сведения о составах и свойствах современных жаростойких эмалевых покрытий на основе тугоплавких стёкол и модифицирующих наполнителей, предназначенных для защиты жаропрочных никелевых, титановых сплавов, коррозионностойких сталей и неметаллических материалов плиточной теплозащиты космических аппаратов.
Таблица 2 - Составы и свойства жаростойких эмалевых покрытий
Похожие диссертационные работы по специальности «Материаловедение (по отраслям)», 05.16.09 шифр ВАК
Разработка жаростойких покрытий на основе системы ZrSi2-MoSi2-ZrB2 для обеспечения работоспособности жаропрочных углеродсодержащих материалов в скоростных высокоэнтальпийных потоках газов2019 год, кандидат наук Лифанов Иван Павлович
Исследование закономерностей разрушения защитных оксидных слоев и теплозащитных покрытий монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов в условиях высокотемпературного воздействия2019 год, кандидат наук Суходоева Надежда Вячеславовна
Влияние примесей серы, фосфора и кремния на структуру и свойства монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов и разработка эффективных способов их вакуумного рафинирования2017 год, кандидат наук Мин, Павел Георгиевич
Разработка высокожаропрочного никелевого сплава с повышенной коррозионной стойкостью в условиях воздействия морской солевой среды для монокристаллических лопаток ГТУ2015 год, кандидат наук Данилов, Денис Викторович
Разработка технологии модификации поверхности при изготовлении и ремонте лопаток ТВД из жаропрочных никелевых сплавов с жаростойкими покрытиями с применением сильноточных импульсных электронных пучков2008 год, кандидат технических наук Крайников, Александр Вячеславович
Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Денисова Валентина Сергеевна, 2020 год
Г - -
1 1 гЛ гтт Г __.il.: гь п
\ 15 1.0 1.5 211 2.5 3.0 4.0 4 мкм 5 5 2 1 12
Рисунок 29 - Гистограммы распределения частиц тетраборида кремния по размерам (диаметр Фере ср.), а - верхний, б - нижний слой жаростойкого покрытия в объеме образца: 1 - 99-0-1; 2 - 84-15-1; 3 - 95-0-5; 4 - 80-15-5
Основной выявленной закономерностью является наличие более крупных частиц тетраборида кремния (темные участки) у поверхности сплава, при этом около поверхности покрытия количество и размер темных
частиц уменьшается, либо они практически отсутствуют. Такая закономерность, выявленная на всех составах, может быть объяснена более активным окислением частиц тетраборида у поверхности покрытий, расположенных ближе к окислительной среде воздуха. Вероятно, в процессе высокотемпературной выдержки в ходе окисления тетраборида кремния образуется легкоплавкий оксид бора, склонный к улетучиванию [76, 77]. Достигая наибольшей концентрации на поверхности, оксид бора приводит к снижению вязкости покрытий [78] и окислению тетраборида кремния. Более вязкий слой на основе тугоплавкого матричного барийалюмосиликатного стекла, напротив, препятствует диффузии кислорода к частицам тетраборида кремния, и тем самым приводит к их ограниченному окислению.
Таким образом, комбинация методов электронной микроскопии позволяет получить подтверждение формирования композиционной структуры реакционноотверждаемых покрытий, нехарактерной для традиционных жаростойких эмалей.
4.2.3 Графическая модель и модель вязкоупругости реакционноотверждаемых покрытий
На основании результатов исследований, представленных в данной главе, могут быть предложены графические модели структурных элементов реакционноотверждаемых покрытий.
Выявление достаточно крупных частиц тетраборида кремния в структуре исследованных покрытий после обжига позволяет предположить, что в процессе формирования покрытия, а также при его дальнейшей эксплуатации возможно не только сохранение ковалентной связи Si-B, но и образование новых связей между тетраборидом кремния, боросиликатным стеклом и матричным барийалюмосиликатным стеклом.
Известно, что стеклообразующие оксиды SiO2 и В203 полностью смешиваются в расплаве [79-81]. В системе SЮ2-B2Оз возможно выделение отдельных нанообластей SiO2, рассматриваемых как микроликвация [82, 83]. Стабильная фаза SiO2 также может полностью растворяться в боросиликатном расплаве [83]. Таким образом, концентрация SiO2 и В2О3 содержащихся в исходном составе покрытия и формирующихся при окислении SiB4, определяет структуру и свойства покрытий. С ростом содержания В203, обладающего особой структурной функцией в боросиликатных стеклах, растёт число бороксольных групп [В03]- за счёт уменьшения тетраэдрических [В04]- структурных образований (рисунок 30), что приводит к формированию двумерной структуры, более простой, чем комплексная трёхмерная, что и приводит к уменьшению вязкости [84]. Данный процесс компенсируется за счет увеличения содержания диоксида кремния и последующего образования боросиликатного стекла, в следствие чего бор переходит в четверную координацию, вязкость снижается и увеличивается
температуроустойчивость. Также в четверной координации бора достигается максимальная гидролитическая устойчивость и теплопроводность боросиликатных стекол [85-87].
\ \ / ч / -° ч Ъ
Ь—в
■ V V
/ V \
(755 ст"1)
0Ч
В-0 + В-О-В' + 0Г
0 о Л
ич
в—о
о ;в-о' о
(940 ст-1) (820 ст"1) (630 спГ1)
Рисунок 30 - Структурные образования бора в стеклах
Основой стеклообразного оксида бора являются молекулярные группы из колец В306. Ввиду слабых молекулярных связей между кольцами В3О6, оксид бора обладает низкой температурой плавления, несмотря на высокую
прочность единичной связи В-О (496 КДж/моль), при этом прочность связи БьО (444 КДж/моль) сопоставима с прочностью связи В-О [88]. С увеличением температуры структура боратных стекол приобретает большую однородность, уменьшается число структурных неоднородностей, что способствует процессу формирования реакционноотверждаемых покрытий при обжиге.
При окислении тетраборида кремния протекает комплекс физико-химических превращений, который частично может быть описан следующими химическими реакциями:
Б1Ва + 02^ 515(4-п) + В203 Н20(т) + В203 ^ 2НВ02 {т)
Б1В4 + 02^ Б1В{4-п) + В7 О
^1В(4-п) + 02^ БЮ2 + тВ203
Продуктами реакции окисления тетраборида кремния является, в большей степени, боросиликатная фаза, однако возможно образование боратной фазы. Ввиду высокой легкоплавкости и летучести боратная фаза, вероятнее всего, распределена таким образом, что обладает возможностью гидратироваться влагой воздуха, находясь на поверхности слоя продуктов окисления (оболочки) в виде пленки или вкраплений (типа ликваций) [8991]. В зависимости от состава и параметров термообработки в боросиликатных стеклах могут образовываться взаимопроникающие структуры размерами от -10 до -100 нм [91-93]. Функция боратной фазы, также, как и боросиликатной, заключается в релаксации термоупругих напряжений и катализации процесса растекания реакционноотверждаемых покрытий по защищаемому субстрату.
Основным компонентом оболочки является боросиликатное стекло с большим содержанием оксида бора В203, в присутствии влаги быстро регирующего с превращением в Н3В03. Применительно к образцам
композиций высококремнеземного стекла и тетраборида кремния в пропорции 9:1 известно, что с повышением температуры формирования снижаются, а свыше 1200°С исчезают полосы поглощения, характерные для Н3В03 [94]. Максимум полосы поглощения 1480-1350 см-1 с увеличением температуры смещается от 1450 см-1 при температуре 600°С (В-0-Н) к 1380 см-1, что характерно для боросиликатных стекол с малым содержанием В203) [95]. Спектры образца, спеченного при температуре 1200°С и исходной композиции отличаются только большим содержанием бора в спеченом образце.
Реакционноотверждаемое покрытие является вязкоупругим телом, деформация которого состоит из мгновенной (обратимой), замедленно -упругой (обратимой) и вязкой (необратимой) деформации [96-97]. В композиционной структуре реакционноотверждаемого покрытия можно выделить четыре фазы - матричное барийалюмосиликатное стекло, модифицирующее тугоплавкое стекло Ва0Л1203-28Ю2, тетраборид кремния и боросиликатное стекло, являющееся продуктом его окисления. Очевидно, что стекла являются вязкими элементами с различной величиной вязкости, а тетраборид кремния является упругим элементом. Наличие в покрытиях различных ковалентных связей (Б1-0, В-0, ЗьВ), определяющих свойства не позволяет применить к исследованным структурам, в частности, вязкоупругую модель Максвелла [98-100]. Для описания вязкоупругих свойств стекол применяются элементы Фойгта-Кельвина или несколько элементов Максвелла. К реакционноотверждаемым стеклам понятия о вязкоупругости прменяются как к неорганическим полимерам. Формирующиеся при термической обработке связи могут способствовать получению композиционного реакционноотверждаемого покрытия, для описания свойств которого при температурах обжига и эксплуатации может быть предложена четырехкомпонентная комплексная нелинейная модель
вязкоупругого состояния (рисунок 31). Резкое изменение напряжений при эксплуатации покрытий является нелинейным вязкоупругим явлением.
Рисунок 31 - Модель вязкоупругости реакционноотверждаемого покрытия: П1 - вязкость боросиликатного стекла, - вязкость матричного стекла, Пз -вязкость модифицирующего стекла, Е - модуль упругости фазы тетраборида
кремния
Для модели справедливо неравенство:
П1 < П2 < Пз
Таким образом, в ходе эксплуатации при высокотемпературном воздействии вязкость системы обуславливается величиной п и Со временем данные элементы приобретают свойства практически твердых тел ввиду улетучивания оксида бора и постепенных процессов кристаллизации в матричном стекле. Вязкоупругие свойства системы стабильны в течение длительного времени ввиду лимитированного окисления тетраборида кремния.
Полагается, что перспективные реакционноотверждаемые покрытия будут разработаны на основании данной модели вязкоупругости. Обязательным условием эффективной работы реакционноотверждаемых покрытий является формирование композиционной структуры, содержащей взаимосвязанные элементы, обуславливающие вязкоупругие свойства системы покрытия.
Полученные результаты исследований реакционноотверждаемых покрытий могут быть обобщены в виде графический модели, отражающей стадийность процесса формирования покрытий. На рисунке 32 представлена графическая модель формирования структуры реакционноотверждаемых покрытий, формирующаяся в результате высокотемпературного обжига и последующей эксплуатации.
Первая стадия формирования покрытия характеризуется началом размягчения матричного стекла и длится до достижения температуры 581,0°С, соответствующей началу стремительного окисления тетраборида кремния. На второй стадии формирования в интервале температур 581,0°С-725,6°С параллельно протекают процессы окисления тетраборида кремния и постепенного размягчения матричного стекла. Третья стадия процесса формирования реакционноотверждаемых покрытий может быть выделена после размягчения матричного стекла, лимитирующего процесс окисления тетраборида кремния.
Таким образом, показано, что в ходе высокотемпературного обжига процесс окисления модифицирующей добавки тетраборида кремния SiB4 лимитирован размягчением матричного стекла при температуре 725,6°С и образованием в ходе окисления SiB4 боросиликатного стекла, в связи с чем происходит формирование структурного элемента "ядро-оболочка" в виде частиц тетраборида кремния в оболочках боросиликатного стекла.
Рисунок 32 - Графическая модель формирования структуры реакционноотверждаемых покрытий в ходе
высокотемпературного обжига и последующей эксплуатации
Ключевую функцию выполняет структурный элемент «ядро-оболочка», который с учетом предложенной модели вязкоупругости может быть графически изображен следующим образом (рисунок 33).
Рисунок 33 - Графическая модель структурного элемента «ядро-оболочка»
Глава 5. Эффективность защитного действия реакционноотверждаемых покрытий на жаропрочном никелевом сплаве ВЖ171
5.1 Испытания реакционноотверждаемых покрытий на жаростойкость
Результаты проведенных исследований позволили выявить, что температура формирования покрытий действительно снижается при введении тетраборида кремния. Однако для того, чтобы подтвердить реализацию эффекта реакционного отверждения в исследуемых композициях покрытий, необходимо подтвердить температуроустойчивость покрытий. Так, при проведении испытаний на жаростойкость при температуре 1250°С в течение 100 часов выявлено, что сплав ВЖ171 без покрытия имеет привес 1,5
л
г/м хч. На рисунке 34 приведены кривые кинетики окисления исследуемых составов.
Рисунок 34 - Кинетика окисления исследуемых составов покрытий
Средние значения численных результатов испытаний представлены в таблице 15. .
Таблица 15 - Результаты испытаний на жаростойкость реакционноотверждаемых покрытий (привес г/м2) при _температуре 1200°С
Время, ч 99-0-1 94-5-1 89-10-1 84-15-1 98-0-2 93-5-2 88-10-2 83-15-2 97-0-3 92-5-3
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
10 0,197 0,159 0,125 0,111 0,199 0,123 0,106 0,089 0,185 0,102
20 0,289 0,272 0,244 0,208 0,327 0,248 0,257 0,137 0,199 0,158
30 0,475 0,341 0,312 0,302 0,413 0,285 0,261 0,179 0,23 0,221
40 0,49 0,353 0,321 0,317 0,42 0,297 0,272 0,233 0,276 0,23
50 0,512 0,366 0,335 0,329 0,437 0,31 0,279 0,26 0,281 0,246
60 0,523 0,38 0,348 0,34 0,441 0,324 0,283 0,277 0,294 0,258
70 0,536 0,396 0,36 0,355 0,454 0,331 0,295 0,283 0,305 0,269
80 0,541 0,404 0,372 0,363 0,463 0,348 0,306 0,294 0,313 0,287
90 0,549 0,411 0,389 0,372 0,477 0,369 0,315 0,303 0,321 0,296
100 0,551 0,429 0,403 0,388 0,492 0,38 0,322 0,31 0,332 0,303
Время, ч 87-10-3 82-15-3 96-0-4 91-5-4 86-10-4 81-15-4 95-0-5 90-5-5 85-10-5 80-15-5
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
10 0,099 0,096 0,157 0,085 0,073 0,051 0,122 0,076 0,054 0,049
20 0,126 0,119 0,176 0,1 0,089 0,069 0,124 0,101 0,069 0,056
30 0,142 0,12 0,188 0,13 0,091 0,071 0,157 0,133 0,071 0,059
40 0,183 0,149 0,22 0,163 0,099 0,076 0,183 0,159 0,074 0,062
50 0,204 0,166 0,241 0,174 0,11 0,089 0,197 0,175 0,081 0,069
60 0,215 0,172 0,255 0,187 0,126 0,098 0,204 0,188 0,081 0,075
70 0,221 0,183 0,263 0,199 0,137 0,104 0,216 0,194 0,082 0,081
80 0,235 0,195 0,278 0,205 0,143 0,111 0,227 0,205 0,085 0,089
90 0,242 0,204 0,284 0,211 0,156 0,123 0,23 0,211 0,089 0,091
100 0,255 0,216 0,296 0,222 0,163 0,134 0,243 0,225 0,09 0,095
Применение покрытий обеспечивает снижение окисляемости, при этом
л
наилучшие результаты имеют составы 85-10-5 и 80-15-5 (0,09 и 0,095 г/м ч соответственно). Отмечено, что после 30 часов испытаний наблюдается затухание процесса окисления для всех исследуемых составов. Для сравнения проведены испытания с покрытием ЭВК-103 на сплаве ВЖ171, и данное покрытие полностью скололось через 45 часов испытаний, а первые сколы на трех образцах данного покрытия появились уже после первых 5 часов испытаний.
Образцы покрытий с маркировкой 80-15-5 и 85-10-5, демонстрирующие наилучшую жаростойкость при температуре 1200°С, испытаны также при температуре 1250°С в течение 100 часов. Результаты представлены в таблице 16, кривые кинетики окисления - на рисунке 35.
Таблица 16 - Результаты испытаний на жаростойкость
л
реакционноотверждаемых покрытий (привес г/м ) при температуре 1200°С
Время, ч 85-10-5 80-15-5
0 0 0
10 0,067 0,068
20 0,070 0,074
30 0,072 0,077
40 0,074 0,081
50 0,076 0,089
60 0,079 0,095
70 0,084 0,103
80 0,086 0,117
90 0,090 0,124
100 0,090 0,132
Необходимо отметить, что привес за 100 часов образца 85-10-5 за 100
часов при 1200°С в среднем по трем значениям испытуемых образцов не
изменился, что может указывать на получение оптимальной композиции с
выраженными вязкоупругими свойствами, в которой термоупругие
напряжение компенсируются соответствующими структурными элементами.
Привес за 100 часов при температуре 1250°С образца 80-15-5 изменился
86
незначительно относительно аналогичного значения, полученного при температуре 1200°С.
Рисунок 35 - Кинетика окисления сплава ВЖ171 с покрытиями 85-10-5 и 8015-5 при температуре испытаний 1250°С
Отмечено, что с повышением температуры испытаний до 1250°С образцы обладают достаточной температуроустойчивостью, однако образцы более резко набирают массу, однако процесс окисления затухает довольно быстро, уже после 20 часов испытаний. Это связано с более высокотемпературным воздействием на сплав на начальных этапах испытаний, однако быстрый привес на начальном этапе компенсируется формированием плотного защитного покрытия после 20 часов, эффективно защищающего сплав от окисления [103-105].
5.2 Испытания реакционноотверждаемых покрытий на термостойкость
Склонность покрытия к разрушению при резком охлаждении гораздо
выше, чем при постепенном нагревании. При нагревании в покрытиях
возникают сжимающие напряжения, при охлаждении - растягивающие. В
связи с тем, что устойчивость покрытий на основе стекол к воздействию
растягивающих напряжений значительно ниже, чем при сжатии, необходима оценка термостойкости реакционноотверждаемых покрытий путем термоциклирования. В результате проведенных испытаний на термостойкость выявлено, что наилучшей термостойкостью по режиму 1200°С ^ 20°С, 1 цикл - 5 мин обладают составы 80-15-5 и 85-10-5 - 127 термоциклов и 119 термоциклов соответственно (минимальные значения из 10 результатов). На рисунке 36 представлена зависимость термостойкости исследуемых реакционноотверждаемых покрытий от содержания тетраборида кремния.
гер мо-цнкли и
0 т-1-1-1-1-1 « (ЯВ„), %
12 5 4 5
Рисунок 36 - Зависимость термостойкости покрытий от содержания
тетраборида кремния
Полученный уровень термостойкости является результатом процессов, протекающих при высокотемпературных воздействиях в различных зонах покрытия - на границе «субстрат-покрытие», непосредственно в материале покрытия и на границе с окислительной средой. Полученные результаты коррелируют с имеющимися результатами испытаний на жаростойкость, в связи с чем можно полагать, что механизм защитного действия аналогичен и связан с влиянием тетраборида кремния на свойства покрытия. Необходимо
отметить, что ресурс покрытий при окончании испытаний был исчерпан не полностью, так как для всех образцов испытания были закончены с появлением сколов на острых кромках образцов, при этом основное покрытие оставалось сплошным, плотным и матовым. Максимальные напряжения, развивающиеся в ходе испытаний в реакционноотверждаемых покрытиях, имеют достаточную величину, в связи с чем разрушение исследуемых покрытий происходит раньше, чем достигаются столь высокие параметры. В связи с этим испытания реакционноотверждаемых покрытий завершены по факту появления первых признаков разрушения, несмотря на целостность наибольшей части покрытий [106].
Необходимо отметить, что термостойкость современного жаростойкого стеклокерамического покрытия ВЭС-104М по режиму 1000°С ^ 20°С, 1 цикл - 5 мин. составляет 200 термоциклов, однако при испытаниях по режиму 1200°С ^ 20°С, 1 цикл - 5 мин. покрытие оказывается неработоспособным.
Величина термостойкости пропорциональна толщине покрытия, так, более толстые слои жаростойких эмалей (>120 мкм) склонны к растрескиванию и больше подвержены действию растягивающих напряжений [107]. В связи с этим исследовано влияние толщины покрытия на термостойкость проведены с использованием состава 80-15-5, показвшего наилучшую термостойкость. На рисунке 37 представлена зависимость термостойкости покрытия 80-15-5 от его толщины.
140 130
«
¡ 120 I lio
tS"
s 100
1
S 90 80 70 60
127
80 90 100 120 130 140 170
Толщина покрытия 80-15-5, мш
180
Рисунок 37 - Влияние толщины покрытия 80-15-5 на его термостойкость Выявлено, что диапазон оптимальных толщин составляет 90-120 мкм, как и для серийных жаростойких эмалей типа ЭВК. При увеличении толщины разрушение покрытий происходит под действием термический напряжений в упругой области (прежде всего, на острых кромках). Накопление остаточных деформаций и изменений имеет место и в покрытии, и в материале субстрата.
На рисунке 38 представлены результаты исследований методом сканирующей электронной микроскопии образцов покрытия 80-15-5 при увеличении х1000 до (рисунок 3а) и после (рисунок 3б) испытаний на термостойкость.
SEM MAG I.OOkx WD: 9.15 mm |
SEM HV: 10.0 kV Det: BSE 51
□ate(m/d/y): 03/12/19 43
lapocTOHioe покрытие обр 80-15-5 (фритте, с
3 , гетроЬорид) отжиг 1150С 3 fc
Рисунок 38 - Микроструктура покрытия 80-15-5 (*1000): а - до испытаний на термостойкость (после обжига), б - после испытаний на термостойкость
После испытаний отмечается уплотнение структуры покрытия, пористость поверхности не до металла, а также равномерное распределение кристаллической фазы, преимущественно представляющей алюмосиликаты бария и формирующейся при кристаллизации барийалюмосиликатных стекол, являющихся основой покрытия [108]. Объёмная микрокристаллизация является фактором, способствующим повышению эксплуатационных свойств реакционноотверждаемых покрытий за счёт увеличения плотности, вязкости, снижения газопроницаемости [109].
5.3 Влияние реакционноотверждаемого покрытия на механические свойства сплава ВЖ171
Уровень механических свойств жаропрочных никелевых сплавов, применяемых в качестве материалов деталей камеры сгорания ГТД, в определенной степени оказывает влияние на уровень эксплуатационных свойств двигателей, в связи с чем требуется определение влияния реакционноотверждаемого покрытия на механические свойства (прочность при растяжении) защищаемого жаропрочного никелевого сплава [110].
Для проведения исследования в качестве субстрата использовали жаропрочный никелевый сплав ВЖ171, в качестве испытуемого покрытия наносили реакционноотверждаемое покрытие с маркировкой 85-10-5, показавшее высокую термостойкость по режиму 20°С^1200°С (1 цикл - 5 мин) и жаростойкость при температурах 1200°С и 1250°С. Оценку производили путем приложения кратковременной нагрузки при температуре 1200°С на образцы после обжига, а также длительно на образцы с покрытием при температуре 1200°С. За результат принято среднее из трех значений.
На рисунке 34 представлены результаты испытаний на растяжение образцов сплава ВЖ171 с покрытием 85-10-5 и без покрытия (в состоянии поставки).
Рисунок 39 - Результаты испытаний на растяжение при температуре 1200°С:
а - без покрытия, б - с покрытием
Установлено, что высокотемпературный обжиг
реакционноотверждаемого покрытия 85-10-5 не ухудшает уровень прочности при растяжении жаропрочного никелевого сплава ВЖ171. Размягчение и формирование реакционноотверждаемого покрытия протекает постепенно, в связи с чем диффузия кислорода к сплаву на начальном этапе обжига ограничена не полностью.
Результаты испытаний на длительную прочность при 1200°С также свидетельствуют о высокой эффективности защитного действия реакционноотверждаемого покрытия, способствующего перераспределению напряжений на границе раздела «металл-покрытие» (Таблица 17). Значения времени т1000 до разрушения получено как среднее арифметическое результатов испытаний трёх образцов.
Таблица 17 - Результаты механических испытаний сплава ВЖ171 с покрытием и без покрытия
Время т1000 до разрушения, ч (а = 23 Мпа)
Образец сплава ВЖ171 без покрытия 100
Образец сплава ВЖ17 с покрытием 85-10-5 132
Покрытие не претерпевает нагрузку, прилагаемую к образцу. При нагружении образца возникают напряжения, превышающие предел текучести покрытий. Напряжения в этот момент релаксируют и перераспределяются по сечению образца [111, 112]. Особенности разрушения жаропрочных никелевых сплавов типа ВЖ171 определяет характер влияния реакционноотверждаемых покрытий на уровень механических свойств. Очевидно, что реакционноотверждаемое покрытие снижает диффузию кислорода к защищаемому сплаву и не влияет на механику разрушения.
5.4 Оценка эффективности защитного действия покрытий методом сканирующей электронной микроскопии и электронно-зондового микроанализа
Защитные свойства покрытия также были исследованы методом
сканирующей (растровой) электронной микроскопии и электронно-зондового
микроанализа. Необходимо учитывать, что поверхность защищаемого
субстрата является фактором, оказывающим влияние на состав и свойства
93
покрытия при температурах эксплуатации [113, 114]. Процессы, которые протекают при обжиге покрытий на границе «металл-покрытие», определяют эффективность защитного действия покрытия, в том числе прочность сцепления покрытия и его температуроустойчивость [115].
Для проведения исследований готовили достаточно небольшие образцы жаропрочного никелевого сплава ВЖ171 размером 10x10 мм. Отмечено, что эффективность пробоподготовки была достаточно высокой на составах с маркировками 88-10-2 и 83-15-2, так как эти составы имели достаточно высокую адгезию к сплаву даже после высокотемпературных испытаний, и применение алмазных суспензий при шлифовке и полировке не приводило к отслаиванию мельчайших фрагментов покрытия. Методом сканирующей (растровой) электронной микроскопии проведены исследования структуры покрытия, границы раздела «металл-покрытие» и структуры прилегающих слоев защищаемого субстрата. Выявлено, что при термообработке происходит частичное окисление сплава с образованием рыхлого подокалинного слоя, обедненного легирующими элементами, а также зон внутреннего окисления (рисунки 40а, 40в). Для образца с покрытием, прошедшего аналогичную термообработку, характерно равномерное распределение упрочняющей фазы нитридов по всему объему защищаемого материала, что свидетельствует об исключении диффузии кислорода и окисления сплава за счёт применения покрытия. Между покрытием и сплавом присутствует промежуточный слой толщиной около 23 мкм, состоящий из продуктов реакций компонентов покрытия, окалины и компонентов сплава. Наличие промежуточного слоя, очевидно, способствует увеличению адгезии покрытия к сплаву и улучшению эксплуатационных свойств покрытия. Образцы, представленные на рис. 34, также исследовали методом ЭЗМА с построением карт распределения элементов (рис. 41, 42).
10.ОкЧ/ 14.9тт х1.50к РОВЗЕ(ЗО) ЗО.Оит I Ю.ОкУ 15.2тт х1.50к РРВЗЕ(ЗО) ЗО.Оит
Рисунок 40 - Микрофотографии образцов сплава ВЖ171 после термообработки по режиму 1200°С - 100 ч: а, в - без покрытия; б, г - с покрытием
Многослойная карта ЭДС 19
Рисунок 41 - Результаты МРСА образца сплава ВЖ171 без покрытия после термообработки по режиму 1200°С - 100 ч
Многослойная карта ЭДС 21
Рисунок 42 - Результаты МРСА образца сплава ВЖ171 с покрытием после термообработки по режиму 1200°С - 100 ч
Результаты ЭДС-картирования, представленные на рис. 41 и соответствующие образцу без покрытия, позволяют идентифицировать кислород в зонах внутреннего окисления образца сплава без покрытия и окалинном слое, обедненных частицами никеля, основного компонента исследуемого жаропрочного сплава. Исследуемый сплав ВЖ171 обладает высоким уровнем эксплуатационных свойств, что обеспечивается за счет специально подобранной химико-термической обработки, в том числе азотирования. Упрочняющей фазой в данном сплаве являются частицы нитрида титана. Результаты ЭДС-картирования также указывают на обеднение частицами титана и азота окисленных областей исследуемого образца. На рисунке 42 данные карт распределения элементов позволяют идентифицировать покрытие (высокая концентрация кислорода и кремния в верхних частях карт и их отсутствие в нижних частях) и защищаемый сплав (высокая концентрация никеля в нижней части карты), на микроструктуре идентифицируются частицы упрочняющей фазы нитрида титана. Поля на картах распределения элементов имеют границу раздела, совпадающую с промежуточным слоем покрытия и сплава. Тем самым, выявлена корреляция результатов испытаний на жаростойкость и исследований методом растровой электронной микроскопии и ЭЗМА.
На основании полученных данных можно утверждать, что исследуемые композиции покрытий действительно относятся к реакционноотверждаемым, так как покрытия имеют пониженную температуру формирования при высокой температуроустойчивости.
5.5 Исследование прочности сцепления реакционноотверждаемых покрытий на сплаве ВЖ171 методом склерометрии
Структурные превращения в реакционноотверждаемых покрытиях при термообработке оказывают значительное влияние на совокупность
эксплуатационных свойств. Эти превращения имеют существенное значение и для достижения прочного сцепления покрытий в твердом состоянии с металлом. Начальными стадиями процесса, обеспечивающего сцепление покрытий с металлом, являются смачивание и химическое взаимодействие металла с покрытием или его стекловидной составляющей. Во многих случаях сцепление определяется составом и свойствами переходного слоя толщиной в десятки микрометров, образующегося в результате взаимодействия покрытия с металлом. Большое значение имеет площадь контакта металла с эмалевым покрытием, которая зависит не только от состава, но и от всей технологии получения покрытия. Прочность сцепления покрытия с защищаемой поверхностью в определенной мере определяет его термостойкость и жаростойкость в условиях эксплуатации при температурах до 1200°С. В качестве объекта исследования представлено реакционноотверждаемое покрытие на основе бариалюмосиликатных стекол (80% масс. тугоплавкого стекла (матричного), 15% масс. стекла состава ВаО-Al2O3-2SiO2 и 5% масс. тетраборида кремния, так как данная композиция. Покрытие наносили по шликерно-обжиговой технологии на сплав ВЖ171. Перед нанесением поверхность сплава подвергли пескоструйной обработке с последующей очисткой поверхности изопропиловым спиртом. Расплав исследуемого покрытия при температуре обжига обладает высокой смачивающей способностью, что является условием равномерного распределения по защищаемой поверхности.
Для оценки адгезии (прочности сцепления) «подложка-покрытие» применялся склерометрический метод - один из методов инструментального индентирования, заключающийся в нанесении царапины на подготовленный образец при помощи алмазного индентора. Метод основан на контролируемом нанесении царапины алмазным индентором на исследуемый участок образца или изделия. Наконечник индентора (обычно алмаз или карбид вольфрама) перемещается по поверхности образца с постоянной, или
прогрессивной возрастающей нагрузкой. При определенной критической нагрузке покрытие начнет разрушаться, эти критические нагрузки очень точно регистрируются акустическим сенсором, а так же датчиком нагружения. Данные о критической нагрузке используются для количественного определения адгезионных свойств покрытий к защищаемому материалу. Кроме акустической эмиссии и данных нагрузок, комплексы инструментального индентирования регистрируют прикладываемую норальную силу, трибологические данные и динамику заглубления индентора.
Исследование проводилось коническим индентором с закруглением 200 мкм при прогрессивно возрастающей нагрузке 20 - 150 Н. Скорость царапания составила 0,25 мм/мин при длине «царапины» 20 мм.
Склерометрия является чувствительным методом, оценивающим состояние и характеристики покрытий. На рисунке 43 показана зависимость уровня акустической эмиссии от нагрузки по всей длине царапины. Данный график иллюстрирует ход испытаний с постепенным повышением нагрузки. Таким образом, в результате исследований склерометрическим методом был определен порог нагрузок (не менее 80 Н), необходимый для возникновения трещин, характерный для реакционноотверждаемых покрытий исследуемой композиции.
На рисунке 44 показаны зависимости силы и коэффициента трения от прилагаемой нагрузки и длины царапины. Как видно из графиков, зависимости не монотонны. Зависимости носят неравномерный характер, занижения после пиков соответствуют последовательному скалыванию слоев покрытия и пластическому разрушению металлической подложки.
Длина царапины, мм
Рисунок 43 - Уровень акустической эмиссии в зависимости от нагрузки
Длина царапины, мм
Рисунок 44 - Сопротивление царапанию реакционноотверждаемого покрытия на основе композиции 80-15-5.
С помощью оптической микроскопии был получен панорамный снимок следа от индентора и полученных разрушений (рисунок 45). При сопоставлении данных акустической эмиссии, сопротивления царапанию и т.д. и панорамного снимка была проведена визуальная оценка полученных разрушений покрытия и зонирование «царапины» по типам разрушения.
о н
О)
а
О)
К К
К
Щ
со «
К К н к а
В
О)
К К
К о
К
о
><
£ О)
К Е
Кс
а ^з о
а №
а
£
ё а а
^з
е
ё а а
О)
а а Е
ас
а о
№1
50 - 99 МПа
Зона Л®1 «Безопасное» нагружение:
В данном диапазоне нагрузок не происходит адгезивного или когезивного разрушения покрытия
№2
-114 МПа
Зона .\®2
Начала когезивного
разрушения покрытия:
В данном диапазоне нагрузок происходит когезйвиое скапывание
№3 115 — 119 МПа
Зона \»3
Первичное;
адгезивное разрушение:
В данном диапазоне нагрузок
№4
происходит адгезивное расслоение
Зона №4 Вторичное адгезивное разрушение:
В данном диапазоне нагрузок происходит разрушение первичного и вторичного покрытий, начинается разрушение металла подложки
С целью выявления структурных особенностей зон разрушения покрытия был использован метод сканирующей электронной микроскопии.
На рисунке 46 показана структура зоны №1 (нагрузка от 50 до 99 МПа) и представлен переход от участка «безопасного нагружения» к участку, где начинается когезивное скалывание верхних слоев покрытия. Для внешнего слоя покрытия и области скола характерна плотная структура, обеспечивающая защиту от диффузии кислорода к сплаву.
Рисунок 46 - Микроструктура участка зоны №1 профиля царапины
В зоне №2 из-за увеличения нагрузки происходит дальнейшее отслоение покрытия - наблюдается когезивное разрушение, переходящее в адгезивное разрушение покрытия и начало разрушения металла подложки (рисунок 41). При этом обнаруживается незначительное количество внутренних дефектов в виде небольших отдельных пузырей, образованных газообразными продуктами в исследуемом покрытии. Непосредственно на поверхности пузырей не обнаружено.
Рисунок 47 - Участок когезивного Рисунок 48 - Увеличение х250.
разрушения, переходящего в Нагрузка на индентор по длине адгезивное и начало разрушения участка от 115 до 119 МПа металла подложки
При достижении уровня нагрузки около 119 МПа (конец зоны №3) зафиксировано начало образования трещин, перпендикулярных плоскости подложки и уходящих вглубь покрытия (рисунок 49). До достижения данных значений нагрузки (рисунок 50) и, соответственно, до начала растрескивания наблюдается область первичного хрупкого разрушения.
Рисунок 49 - Увеличение *1000. Рисунок 50 - Увеличение *1000.
Область образования трещин в Структура покрытия до начала
покрытии растрескивания
Рисунок 51 - Микроструктура середины участка «царапины» на металле
(нагрузка > 120 МПа)
На рисунке 51 представлена микроструктура зоны №4 в середине участка царапины на металле, где воздействие индентора приводит к дальнейшему разрушению покрытия. По краю борозки отмечается незначительный скол до металла, связанный, очевидно, с деформацией металла, являющегося более пластичным материалом, чем исследуемое покрытие. Темные зоны на металле на пути индентора являются частицами покрытия.
Рисунок 52 - Участок максимального воздействия алмазного индентора.
С увеличением нагрузки индентора (рисунок 52) характер разрушения не меняется, в большей части области воздействия нагрузки отмечается скол покрытия, но не до металла.
Методом СЭМ также были исследованы поперечные срезы образцов сплава ВЖ171 с нанесенными реакционноотверждаемым покрытием исследуемой композиции и близким по матричному составу покрытием ЭВК-103 соответственно. На образце с реакционноотверждаемым покрытием на границе «металл-покрытие» виден равномерный слой из частиц бариалюмосиликатного стекла толщиной 1-3 мкм (рис.53-56). На образце с покрытием ЭВК-103 такого слоя не наблюдается.
Рисунок 53 - Увеличение ><1500. Граница «металл-покрытие» образца реакционноотверждемого покрытия
Рисунок 54 - Увеличение ><1500. Граница «металл-покрытие» образца эмали ЭВК-103.
Ю.ОкУ 15.3тт х5.00к РОВвЕ(ЗО)
10 Оит Н 10 ОкУ 15.0тт хб.ООк РОВЗЕ(ЗО)
Рисунок 55 - Увеличение ><5000. Граница «металл-покрытие» образца реакционноотверждаемого покрытия
Рисунок 56 - Увеличение ><5000. Граница «металл-покрытие» образца эмали ЭВК-103
1 Юцт '
Рисунок 57 - Увеличение х5000. Граница «металл-покрытие» образца реакционноотверждаемого покрытия. Указаны места, в которых проводился
электронно-зондовый микроанализ.
Посредством электронно-зондового микроанализа проведена оценка содержания основных элементов покрытия в слоях вблизи границы металл-покрытие. Как видно из таблицы и представленных рисунков, на поверхности сплава ВЖ171 с нанесенным реакционноотверждаемым покрытием исследуемой композиции после обжига формируется многокомпонентное покрытие, состоящее из нескольких слоев, которые отличаются концентрацией А1, Si, О.
Таблица 18 - Распределение элементов в исследуемых областях покрытия
Номер спектра Содержание элементов, атомные %
О Л1 81
75 71 7 22
76 70 7 23
77 71 11 18
78 74 10 16
80 69 2 29
81 69 2 29
Точная оценка содержания других элементов в исследуемых слоях затруднительна в связи со спектральными наложениями энергетических окон элементов друг на друга и ограничением пространственного разрешения ЭДС детектора.
В результате проведенных испытаний установлено, что разрушение покрытий происходит без отслоения от металла подложки. Несмотря на скалывание и расслоение реакционноотверждаемого покрытия, наблюдается отсутствие значимых областей отделения покрытия от подложки, что свидетельствует о высокой прочности сцепления реакционноотверждаемого покрытия исследуемой композиции и сплава ВЖ171. Характер разрушения покрытия при царапании может быть обусловлен высокой прочностью промежуточного слоя «металл-покрытие», состоящим из прореагировавших продуктов окисления защищаемого сплава и компонентов покрытия. Фактором, способствующим формированию слоя между прочно сцепленными покрытием и защищаемым металлом, может являться реакционная способность компонентов покрытия.
Полученное значение порога нагрузок ( - 80Н), необходимого для возникновения трещин, является достаточно высоким для данного типа материалов и соответствует уровню, характерному для хромовых и никелевых покрытий.
Методом склерометрии показана высокая прочность сцепления реакционноотверждаемого покрытия на основе барийалюмосиликатных стекол и 5% масс. тетраборида кремния с защищаемой подложкой -жаропрочным никелевым сплавом ВЖ171. Особенности процесса разрушения покрытия при индентировании указывают на наличие промежуточного слоя, обеспечивающего прочное сцепление покрытия с металлом. Исследованы структурные особенности зон разрушения покрытия и промежуточный слой у границы «металл-покрытие» методом растровой электронной микроскопии и электронно-зондового микроанализа.
Общие выводы по работе:
1. Впервые разработаны, исследованы и обоснованы температуростойчивые реакционноотверждаемые покрытия для защиты жаропрочных никелевых сплавов на основе системы М-Со-Сг при температурах до 1200-1250°С, обеспечивающие возможность формирования (обжига) покрытий при температурах меньших на 20-70°С или равных температуре эксплуатации;
2. Разработана технология изготовления седиментационно устойчивых полидисперсных гидросуспензий (шликеров) реакционноотверждаемых покрытий, отработаны параметры нанесения и обжига покрытий на жаропрочных никелевых сплавах ВЖ98, ЭП648, ВЖ171;
3. Установлено, что в ходе высокотемпературного обжига процесс окисления модифицирующей добавки тетраборида кремния SiB4 лимитирован размягчением матричного стекла при температуре 725,6°С и образованием в ходе окисления SiB4 боросиликатного стекла, в связи с чем происходит формирование структурного элемента "ядро-оболочка" в виде частиц тетраборида кремния в оболочках боросиликатного стекла;
4. Установлено, что формируемая при высокотемпературном обжиге высоковязкая композиционная структура реакционноотверждаемых покрытий и сохранение неокисленных частиц тетраборида кремния является необходимым условием обеспечения высокой температуроустойчивости реакционноотверждаемых покрытий для защиты жаропрочных никелевых сплавов на основе системы М-Со-Сг при температурах до 1200-1250°С. Выявленные закономерности структурообразования реакционноотверждаемых покрытий являются теоретической основой при разработке новых высокотемпературных реакционноотверждаемых покрытий для защиты металлических и неметаллических материалов;
5. Определены составы реакционноотверждаемых покрытий, обеспечивающие высокую жаростойкость покрытий при температуре 1200°С
Л Л
(привес 0,09 г/м образцов с покрытием 85-10-5 и 0,095 г/м образцов с
108
покрытием 80-15-5) в течение 100 ч. Подтверждена эффективность защитного действия реакционноотверждаемых покрытий на сплаве ВЖ171, упрочненного внутренним азотированием, заключающаяся в сохранении упрочняющей фазы нитридов титана после испытаний при 1200°С в течение 100 ч;
6. Предложена четырехкомпонентная нелинейная модель вязкоупругости, характеризующая релаксационные свойства и механизм защитного действия реакционноотверждаемых покрытий;
7. Результаты работы использованы в качестве научно-технического задела при выполнении НИР шифр «Твердость» в рамках госконтракта от 20.12.2019 г. №19208.4452018.18.001 с Минпромторгом РФ.
Список сокращений и обозначений:
АСМ - атомная силовая микроскопия
ГТД - газотурбинный двигатель
ЖНС - жаропрочные никелевые сплавы
МВКА - многоразовый воздушно-космический аппарат
ОК - орбитальный корабль
СЭМ - сканирующая электронная микроскопия
ТИ - технологическая инструкция
ТКЛР - температурный коэффициент линейного расширения;
Тн.д. - температура начала деформации
ТУ - технические условия
ХТО - химико-термическая обработка
Список используемой литературы:
1. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). DOI: 10.18577/2071-9140-20150-1-3-33.
2. Каблов Е.Н. Материалы нового поколения // Защита и безопасность. 2014. №4. С. 28-29.
3. Каблов Е.Н., Солнцев С.С., Розененкова В.А., Миронова Н.А. Современные полифункциональные высокотемпературные покрытия для никелевых сплавов, уплотнительных металлических материалов и бериллиевых сплавов //Новости материаловедения. Наука и техника. 2013. № 1. Ст. 5 URL: http://www.materialsnews.ru (дата обращения 03.02.2019).
4. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Ломберг Б.С., Сидоров В.В. Приоритетные направления развития технологий производства жаропрочных материалов для авиационного двигателестроения //Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2013. №3. С. 4754.
5. Симс Ч., Хагель В. Жаропрочные сплавы. М.: "Металлургия", 1976. -568 с
6. Лукина Е.А., Овсепян С.В., Давыдова Е.А., Ахмедзянов М.В. Структурные особенности жаропрочного сплава на основе системы Ni-Co-Cr, упрочняемого объёмным азотированием // Цветные металлы. 2016. № 7 (883). С. 76-82..
7. Солнцев С.С., Швагирева В.В., Исаева Н.В., Соловьева Г.А. Армированные жаростойкие стеклоэмали для камер сгорания газотурбинных двигателей //Авиационные материалы и технологии. 2010. №1. С. 26-29.
8. С. С. Солнцев, В. В. Швагирева, Н. В. Исаева, Г. А. Соловьева Жаростойкое покрытие для защиты высокопрочный сложнолегированных никелевых сплавов от высокотемпературной газовой коррозии // Труды ВИАМ. 2014. №6. С. 4.
9. H.Xu, H.Guo, S.Gong. Thermal barrier coatings // Developments in High Temperature Corrosion and Protection of Materials. 2008. Ch. 16. P. 476491.
10.Мубояджян С.А., Будиновский С.А. Ионно-плазменная технология: перспективные процессы, покрытия, оборудование // Авиационные материалы и технологии. 2017. №S. C. 39-54.
11.Canan U. Hardwicke, Yuk-Chiu Lau. Advances in Thermal Spray Coatings for Gas Turbines and Energy Generation: A Review // Journal of Thermal Spray Technology. 2013. V. 22. P. 564-576.
12.K.N. Lee, Protective coatings for gas turbines, in: R. Dennis (Ed.), The Gas Turbine Handbook, United States Department of Energy (DOE), 2006.
13.Солнцев С.С. Защитные технологические покрытия и тугоплавкие эмали. М.: Машиностроение, 1984. — 256 с.
14.Солнцев С.С., Денисова В.С., Розененкова В.А. Жаростойкие эмали для защиты никелевых сплавов и сталей//Все материалы. Энциклопедический справочник. 2016. №1. С. 22-28.
15.Денисова В.С., Соловьёва Г.А. Жаростойкое стеклокерамическое покрытие для защиты деталей камер сгорания газотурбинных двигателей // Авиационные материалы и технологии, 2016. №4 (45). С. 18-22. DOI: 10.18577/2071-9140-2016-0-4-18-22.
16.Торопов Н. А. Бараковский В. К. Лапини В. В. и др. Диаграммы состояния силикатных систем: справочник. Л.: Наука, 1972. Вып. 3. Тройные силикатные системы. 448 с.
17.Денисова В.С., Солнцев С.Ст., Соловьева Г.А. Стеклоэмалевые
покрытия для защиты коррозионностойких сталей от
высокотемпературной газовой коррозии: свойства и области
112
применения (обзор)//Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2015. №5. Ст. 05. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 13.01.2016). DOI: 10.18577/23071-6046-2015-0-5-5-5.
18.Солнцев С.С., Розененкова В.А., Миронова Н.А., Соловьева Г.А. Высокотемпературные покрытия на основе золь-гель технологии//Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2014. №1. Ст. 03. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 13.01.2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-1-3-3.
19. Солнцев С.С., Розененкова В.А., Миронова Н.А. Высокотемпературные стеклокерамические покрытия и композиционные материалы//Авиационные материалы и технологии.
2012. №S. С. 359-368.
20. Солнцев С.С., Денисова В.С., Розененкова В.А. Реакционное отверждение - новое направление в технологии высокотемпературных композиционных покрытий и материалов // Авиационные материалы и технологии, 2017. №S. С. 329-343. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-329-343.
21.S. Das, S. Datta, D. Basu, G.C. Das. Hot corrosion of glass coating on nickel base superalloy // Ceramics International. 2008. V. 34. P. 1215-1222.
22.Minghui Chen, Wenbo Li, Mingli Shen et al. Glass coatings on stainless steels for high-temperature oxidation protection: Mechanisms //Corrosion Science. 2014. V. 82. P. 316-327.
23.Minghui Chen, Mingli Shen, Shenglong Zhu, Fuhui Wang. Comparative study of interfacial reaction between superalloy substrate and glass coating with and without alumina particles incorporation //Applied Surface Science.
2013. V. 271. P. 228-233.
24.Minghui Chen, Wenbo Li, Mingli Shen, Shenglong Zhu, Fuhui Wang. Glass-ceramic coating on titanium alloys for high temperature oxidation protection: Oxidation kinetics and microsctucture //Corrosion Science. 2013. V. 74. P. 178-186.
25.Minghui Chen, Shenglong Zhu, Fuhui Wang. High temperature oxidation of NiCrAlY, nanocrystalline and enamel-metal nano-composite coatings under thermal shock // Corrosion Science. 2015. №100. P. 556-565.
26.Zinqi Xiao, Fatang Tan, Wei Wang, Fazhe Sun, Hongfei Lu, Xiaolin Qui, Jianguo Chen, Xueliang Qiao. Oxidation protection of Ti-6Al-4V alloy using a novel glass-amorphous silica composite coating //Ceramics International. 2014. V. 40. P. 3503-3509.
27.Wenbo Li, Minghui Chen, Mingyu Wu, Shenglong Zhu, Cheng Wang, Fuhui Wang. Microstructure and oxidation behavior of a SiC-Al2O3-glass composite coating on Ti-47Al-2Cr-2Nb alloy //Corrosion Science. 2014. V. 87. P. 179-186.
28.Xiaowei Niu, He Zhang, Xiaojun Hu, Wei Han. Synthesis of well-adhered SiO2-Al2O3 glass-ceramic coating on NiCrFe alloy supports //Applied Surface Science. 2013. V. 268. P. 265-269.
29.Senol Yilmaz, Gunhan Bayrak, Saduman Sen, Ugur Sen. Structural characterization of basalt-based glass-ceramic coatings //Materials and Design. 2006. V. 27. P. 1092-1096.
30.Ediz Ercenk, Ugur Sen, Senol Yilmaz. The erosive wear behavior of basalt based glass and glass-ceramic coatings //Tribology International. 2012. V. 52. P. 94-100.
31.Wu Yongbin, Ma Xiaofei, Zhang Huazhen, Zhou Yang. A New High Emissivity Coating on Ni-Based Superalloy Substrate // Rare Metal Materials and Engineering. 2016. V. 45. I. 3. P. 588-592.
32.Meng Wang, Xiaolei Li, Dong Su, Huiming Ji, Huijie Tang, Zhihao Zhao, Jian He. Effect of glass phase content on structure and properties of gradient MoSi2-BaO-Al2O3- SiO2 coating for porous fibrous insulations // Journal of Alloys and Compounds. 2016. V. 657. P. 684-690.
33.Minghui Chen, Mingli Shen, Shenglong Zhu, Fuhui Wang, Xiaolan Wang. Effect of sand blasting and glass matrix composite coating on oxidation
resistance of a nickel-based superalloy at 1000°C //Corrosion Science. 2013. V. 73. P. 331-341.
34.Bhupinder Kaur, K. Singh, O.P. Pandey. Microstructural analysis of glass-steel interface // Surface & Coatings Technology. 2013. V. 217. P. 156-161.
35.Jinlong Wang, Hongyan Ji, Minghui Chen, Zebin Bao, Shenglong Zhu, Fuhui Wang. High temperature oxidation and interdiffusion behavior of recoated NiCoCrAlY coating on a nickel-based superalloy // Corrosion Science. 2020. V. 175. 108894.
36.Каблов Е.Н. Материалы для изделия «Буран» - инновационные решения формирования шестого технологического уклада // Авиационные материалы и технологии. 2013. №S1. С. 3-10.
37.Dave Olynick, Tim Tam. Trajectory-Based Validation of the Shuttle Heating Environment // Journal of Spacecraft and Rockets. 1997. V. 34. N. 2, P. 172.
38.Солнцев С.С. Некоторые особенности покрытий для плиток многоразовой теплозащиты орбитальных космических кораблей // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2014. №2. Ст. 01. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 07.09.2019). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-2-1-1.
39.Howard E. Goldstein, Leiser D.B. and Katvala V. Reaction cured borosilicate glass coating for low density fibrous silica insulation. Borate Glasses: Materials science research. Volume 12. Plenum press, New York and London, 1978. P.623 - 634.
40.Daniel B. Leiser, Rex Churchward, Victor Katvala, David Stewart, Aliza Balter. Advanced Porous Coating for Low Density Ceramic Insulation Materials // Journal of the American Ceramic Society. 1989. V.72, Issue 6, P. 1003-1010.
41.Two-component ceramic coating for silica insulation: US Patent 3953646. Appl. №482104. Filed: June 24, 1974. 6 p.
42.Three-component ceramic coating for silica insulation: US Patent 3955034. Appl. №482104. Filed: June 24, 1974. 6 p.
43.Reaction cured glass and glass coatings: US Patent 4093771. Appl. №736910. Filed: October 29, 1976.
44.Garofalini S.H., Banas R., Creedon J. Development of high viscosity coatings for advanced Space Shuttle application // 11-th National SAMPE technical conference. Boston, 1979. P.114-124.
45.Доспехи для «Бурана». Материалы и технологии ВИАМ для МКС «Энергия-Буран» /Под общ. ред. Е.Н. Каблова М.: Фонд "Наука и жизнь". 2013. 128 с.
46.Шалин Р.Е., Солнцев С.С., Берсенев А.Ю. Исследование свойств покрытий плиточной теплозащиты для воздушно-космических летательных аппаратов /В сб. трудов первой Международной авиакосмич. конф. «Человек-Земля-Космос». М.: Российская инженерная академия. 1995. Т. 5. С. 240-249.
47.Solntsev St.S. High-Temperature Composite Materials and Coatings on the Basis of Glass and Ceramics for Aerospase Technics //Russian Journal of General Chemistry. 2011. V. 81. №5. P. 992-1000.
48.Щетанов Б.В. Материал плитки для внешнего высокотемпературного теплозащитного покрытия орбитального корабля "Буран" // Авиационные материалы и технологии. 2013. №S1. С. 41-50.
49.Солнцев С.С. Эрозионностойкие влагозащитные терморегулирующие покрытия многоразовой теплозащиты орбитального корабля "Буран" // Авиационные материалы и технологии. 2013. №S1. С. 94-124.
50.Берсенев А.Ю., Ряховская З.И., Семенова Е.В. и др. Высокоэффективные эрозионностойкие покрытия для теплозащитных материалов авиационно-космической техники/В Трудах первой Международной авиакосмической конф. «Человек-Земля-Космос». М.: Российская инженерная академия. 1995. Т. 5. С. 235-240.
51.Солнцев С.С. Эрозионно стойкие терморегулирующие покрытия на основе композиции (SiO2-B2O3)-SiB4 // Стекло и керамика. 2015. №5. С. 33-38.
52.Абраимов Н.В., Самойленко В.М. Выбор материалов и покрытий для высокоскоростных летательных аппаратов // Электрометаллургия. 2019. №8. С. 2-14.
53.Петцольд А., Пешман Г. Эмаль и эмалирование: Справ.изд. // пер. нем. - М: Металлургия, 1990. - 576 с.
54.Солнцев Ст.С., Розененкова В.А., Миронова Н.А., Гаврилов С.В. Защитные технологические покрытия для термической обработки высокопрочных сталей типа ВКС //Стекло и керамика. 2011. №10. С. 28-30.
55.Солнцев С.Ст., Швагирева В.В., Исаева Н.В., Соловьева Г.А. Многоцелевое стеклоэмалевое покрытие для защиты литых фасонных деталей газотурбинных двигателей //Труды ВИАМ. 2014. №3. Ст. 04 (viam-works.ru).
56.Попов Н.Н, Анисимова И.В. Влияние химического состава на защитное действие стеклопокрытий при высокотемпературном нагреве жаропрочных сплавов // Жаростойкие покрытия для защиты конструкционных материалов. - Л.: Наука, 1997. - С. 298.
57. Еременко Л.П. Высокотемпературные покрытия для защиты материалов в экстремальных условиях эксплуатации // Современные проблемы неорганической химии. СПб.: Арт-Экспресс, 2016. С. 188200.
58.Bachar, A., Mabrouk, A., De Sousa Meneses, D., Veron, E., Sadallah, Y., & Echegut, P. (2018). Study of the firing type on the microstructure and color aspect of ceramic enamels. Journal of Alloys and Compounds, 735, 24792485. DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.11.364.
59.Технология эмали и защитных покрытий : Учеб. Пособие/ Под ред. Л.Л. Брагиной, А.П. Зубехина - Харьков: НТУ «ХПИ»; Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2003.-484 с.
60. Смирнов, В. Г. Вязкость стекла: учеб. пособие // В. Г. Смирнов, М. А.Семин. - М.: МХТИ, 1987. - 84 с.
61.Мазурин, О. В. Расчет вязкости стекол // О. В. Мазурин, Г. П. Николина, М. Л. Петровская. - Л., 1988. - 48 с.
62. Винокуров Е.И., Смирнов Н.С. Плавкость как реологическая характеристика процесса формирования стекловидных покрытий при обжиге и методы ее определения // Неорганические стекла, покрытия и материалы. - Рига, 1975. - Вып. 1. - С. 145-152.
63. Солнцев С.С. Защитные покрытия металлов при нагреве // Справочное пособие. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство ЛИБРОКОМ, 2009. — 248 с.
64.Варгин В.В. Технология эмали и эмалирования металлов. // В.В. Варгин. М.: Стройиздат. 1965. 316 с.
65.Matsushita J., Komarneni S. High temperature oxidation of silicon hexaboride ceramics // Materials Research Bulletin. 2001. V. 36. Issues 5-6. P. 1083-1089.
66.Imam, M.A., Young, J.S., Reddy, R.G. Effect of Oxygen Partial Pressure and Temperature on the Oxidation Behavior of SiB6 // Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science. 2020. V. 51, P. 386-394.
67.Денисова В.С., Куршев Е.В., Лонский С.Л., Власова О.В. Морфология и особенности структуры жаростойких реакционноотверждаемых покрытий для защиты жаропрочных никелевых сплавов // Труды ВИАМ. 2020. №4-5 (88). С. 54-61.
68.Денисова В.С., Лонский С.Л., Куршев Е.В., Малинина Г.А. Исследование структурообразования реакционноотверждаемых покрытий методом сканирующей электронной микроскопии // Труды ВИАМ. 2019. № 4(76). С. 76-78.
69. Федоров А.В., Баранов А.В., Литвин А.П., Черевков С.А., Специальные методы измерения физических величин. Учебное пособие. - СПб: НИУ ИТМО, 2014. - 127 с.
70. Солнцев С.С. Полифункциональные высокотемпературные покрытия теплозащитных материалов // Стекло и керамика. 2016. №5. С. 26-28.
71. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. -Н.Новгород: изд-во Ин-та физики микроструктур РАН, 2004. - 115 с.
72. Binning G., Quate C.F., Gerber C. Atomic force microscope. Surface studies by scanning tunneling microscopy // Physical Review Letters. -1986. Vol. 56. №9. Р. 930-933.
73. Баньковская И.Б., Коловертнов Д.В., Сазонова М.В. Влияние природы связующих на температуру формирования стеклокерамических покрытий на основе Si-B-ZrB2 для защиты графита // Физика и химия стекла. 2018. Т. 44. №1. С. 70-74.
74. Румянцева К.Е. Физические и технологические свойства покрытий: учеб. пособие // ГОУ ВПО Иван. гос. хим.-технол. ун-т. - Иваново, 2007. 80 с.
75. Кашин Д.С. Дергачева П.Е., Стехов П.А. Жаростойкие покрытия, наносимые шликерным методом (обзор) // Труды ВИАМ. 2018. № 5 (65). С. 64-75.
76. Химическая технология стекла и ситаллов: Учебник для ВУЗов / Под ред. Н.М. Павлушкина. - М.: Стройиздат, 1983.- 432 с.
77. Павлушкин Н.М. Журавлев А.К. Легкоплавкие стекла. М.: Энергия. Москва, 1970. 143 с.
78. Zhang B., Wu L., Li Z. Predicted structural evolution and detailed insight into configuration correlation, mechanical properties of silicon-boron binary compounds // The Royal Society of Chemistry. 2017. V. 7. P. 16109-16118.
79. Шульц М.М., Аппен А.А., Борисенко А.И., Горбунов Н.С., Харитонов Н.П., Веселов П.А. Жаростойкие покрытия для защиты конструкционных материалов. Л.: Наука, 1977.
80. Бобкова Н.М. Физическая химия силикатов и тугоплавких соединений // Минск: Вышэйшая школа. 1984. 256 с.
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.