Авиационные и ракетные двигатели, а также энергетические установки функционируют при предельных температурах. Легирование керамических материалов цирконием дало возможность российским исследователям значительно увеличить их термостойкость и срок службы.
Исследователи Института металлургии и материаловедения имени Байкова (ИМЕТ РАН) и Института химии Федерального исследовательского центра «Коми научный центр УрО РАН» синтезировали сверхтвердый керамический материал на основе MAX фазы карбида титана и кремния Ti₃SiC₂. Керамика, легированная цирконием, значительно улучшает свои механические свойства при экстремальных температурах. Синтез с достигнутыми характеристиками по жаропрочности был выполнен впервые в мире.
Ученые проанализировали твердые растворы (Ti₁₋ₓZrₓ)₃SiC₂ с содержанием Zr x = 0,10 и 0,15. Процесс проходил в форме карбосиликотермического восстановления в вакууме с последующим горячим прессованием полученной массы.
Механические испытания показали, что в результате легирования цирконием твердость керамики увеличилась с 3,9 ГПа для чистого титан-кремний-карбида до 6,8 ГПа при наличии 15% Zr. Сопротивление изгибному усилию при комнатной температуре возросло с 314 до 487 МПа соответственно. Разработчики отмечают прямую зависимость смещения границы перехода от хрупкой деструкции к пластичной при сильном нагреве от содержания циркония в материале. При температуре 1600°C образец с 15% содержания Zr сохранил изгибную прочность в 311 МПа — 64% прочности при комнатной температуре.
По уровню термомеханической стабильности новые образцы превосходят традиционные MAX фазы титан-кремний-карбида по всем показателям при t >1200 °C.
Новые материалы могут быть применены в качестве огнеупорной облицовки для рабочих камер, лопаток, сопел и других элементов газотурбинных двигателей, где требуется обязательное сочетание жаропрочности и долговечности.
Эксперименты впервые продемонстрировали, что легирование цирконием MAX фаз карбида титана и кремния значительно увеличивает стойкость материала в экстремальных температурных режимах. Эта работа открывает новые горизонты для разработки металлокерамических покрытий нового поколения, которые будут востребованы в тепловой и атомной энергетике, аэрокосмической и оборонной отраслях, а также в других сферах, связанных с длительной эксплуатацией механизмов при критических температурах.
Фото: hi-tech.mail.ru