MAX-материалы для авиационного двигателестроения А С Новиков А

MAX-материалы для авиационного двигателестроения А. С. Новиков, А. Г. Пайкин, В. А. Шулов ММП имени В. В. Чернышева, Москва

Содержание: 1. Введение 2. Цель и задачи работы 3. Общие определения и понятия МАХ-фазы 4. Методы получения МАХ-фаз 5. Физико-химическое состояние МАХ-фаз 6. Технологичность МАХ-материалов 7. Свойства МАХ-материалов 8. МАХ-покрытия и методы их получения 9. Перспективы применения МАХ-материалов в авиационном двигателестроении

Введение Из выступления Каблова Е. Н на совещании по авиационному двигателестроению в 2004 и 2006 г. г. : …во Всероссийском институте авиационных материалов (ВИАМ) был создан задел в области разработки материалов для ГТД 5 и 6 поколения. ВИАМом предлагается ряд никелевых сплавов с содержанием рения до 9 масс. %, а также материалы на основе интерметаллидов Ni 3 Al, Ti 3 Al и Ti. Al, причем делается заключение о рекордных характеристиках длительной прочности этих материалов и высокой перспективности их применения, что связано с «разработанной технологией выплавки этих сплавов, обеспечивающей ультравысокую чистоту по вредным примесям и газам, комплексное рафинирование редкоземельными металлами, обеспечение узких пределов химического состава» .

Цель и задачи Предлагаемые в ВИАМе материалы не удовлетворяют требованиям авиадвигателестроения ни по эксплуатационным свойствам, ни по стоимости, ни по удельной массе. В этой связи целью настоящей работы является критический анализ экспериментальных данных, полученных в лабораториях США, Японии, Франции и Швеции при исследовании процессов синтеза и при определении, прежде всего, механических и коррозионных свойств MAX-материалов на основе титана, а также результатов работ по проблеме нанесения защитных покрытий на основе MAX-фаз

Общая характеристика MAX-фаз Под MAX-фазой понимается тройная система Mn+1 AXn с гексагональной плотной упаковкой, где M – переходный металл; A – элемент A– подгруппы таблицы Менделеева; X – углерод или азот A Элемент Агруппы X Углерод, азот бор (? ) IIIA IVA VA VIA B C N O Al M Переходный металл Si P S Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po Рис. 1. Типы решеток различных MAX-фаз. Рис. 2. Фрагмент таблицы Менделеева, содержащий элементы различных MAX-фаз.

Общая характеристика MAX-фаз Рис. 3. Диаграмма сопоставления температуры разрушения при нагрузке 140 МПа за 10000 часов (Tp) и температуры окисления на глубину 2, 5 мм за 10000 часов (T 0) для различных материалов.

Технологичность MAX-фаз Рис. 4. Фотографии деталей, изготовленных из Ti 3 Si. C 2 механической обработкой.

Методы получения МАХ-фаз Процесс синтеза MAX-фаз Ti 2 Al. C, Ti 2 Al. N, Ti 3 Al. C 2, Ti 3 Si. C 2 и др. хорошо отработан в Дрессельском университете (США) М. Барзоу и Эль-Рахи с сотрудниками методом горячего изостатического прессования из смеси тонкодисперсных порошков (2 -10 мкм) титана, углерода и карбида кремния с соотношением компонентов (3: 1: 1 и 5: 2: 1), а также в институте перспективных технологий Нагойя (Япония) З. Н. Саном, С. Янгом и Х. Хашибо методом СВС синтеза в интервале температур 1200 -1700 0 С при давлении аргона 50 -300 МПа. Авторами налажено производство объемных заготовок размером более 1 м 3 с низкой пористостью 98 -99, 5 %, при этом было установлено, что промежуточной фазой при образовании Ti 3 Si. C 2 во всех случаях являлся силицид Ti 5 Si 3.

Методы получения МАХ-фаз Рис. 5. Фрагмент дифрактограммы, зафиксированной с поверхности образцов из Ti 3 Si. C 2. Рис. 6. СЭМ-фотография зародыша гексагональной MAXфазы Ti 3 Si. C 2.

Свойства МАХ-материалов Рис. 7. Два типа зерна, формируемых в Ti 3 Si. C 2 методом импульсного разряда (а) и слоистый характер микроструктуры внутри удлиненного зерна (б).

Свойства МАХ-материалов Вещество Модуль Юнга ГПа Модуль ГПа сдвига Коэффициент Пуассона Плотность г/см 3 Ti 3 Si. C 2 322 2 133, 6 0, 8 0, 200 0, 007 4, 52 Ti 3 Al. N 2 297, 5 2 124 2 0, 200 0, 007 4, 20 Ti 4 Al. N 3 310 2 127 2 0, 220 0, 007 4, 70 Ti. C 456 -500 193 1 0, 18 0, 01 4, 92 -Ti 116 2 43, 6 1 - 4, 50 -Ti 126 2 19 1 - - Mo 318 2 122 1 - 10, 2 Таблица 1. Механические свойства MAX-материалов при 20 0 С.

Свойства МАХ-материалов Вещест Ti 2 Al. C Ti 2 Al. N Ti 3 Si. C 2 Ti 4 Al. N 3 во Ti. C a (K-1) 7, 1 0, 3 8, 6 0, 2 8, 6 0, 3 9, 6 0, 3 7, 4 8, 9 0, 0, 2 1 c (K-1) 10 0, 5 7, 4 0, 5 7, 0 0, 5 9, 7 0, 6 8, 8 0, 5 Ti - Таблица 2. Коэффициенты термического расширения некоторых MAX-материалов.

Свойства МАХ-материалов Усталостные испытания начинались при нагрузке 500 МПа с последующим ее повышением на 16, 7 МПа после того как образец отстоял 105 циклов без заметного роста зародившейся на начальной стадии трещины. При этом максимальная скорость роста трещины достигала 10 -10 м/цикл. Асимметричный цикл нагружения при частоте 25 Гц. Рис. 8. Особенности роста усталостной трещины в образце из Ti 3 Si. C 2 (направление роста трещины показано стрелкой)

Свойства МАХ-материалов da/d. N, мм/цикл ( , МПа м 1/2) Рис. 9. Зависимость скорости роста усталостной трещины (da/d. N, мм/цикл) от интервала интенсивности напряжения ( , МПа м 1/2).

Свойства МАХ-материалов Усталостные характеристики образцов из Ti 3 Si. C 2, особенно с крупнокристаллической микроструктурой, существенно выше и при низких и при высоких температурах, чем у аналогичных образцов из стандартных керамик Si 3 N 4, Si. C и Al 2 O 3, для которых интенсивность нагружения лежит в интервале th при 1000 и 1100 0 C только от 2 до 4 МПа м 1/2. Более того, усталостные свойства образцов из крупнокристаллического Ti 3 Si. C 2 лежат в интервале усталостных характеристик, зафиксированных в идентичных условиях для образцов-свидетелей из металлов и интерметаллидов.

Свойства МАХ-материалов Испытания на ползучесть образцов из Ti 3 Si. C 2 при растяжении были осуществлены в зависимости от температуры, скорости нагружения и размера зерна. Результаты этих испытаний в температурном интервале 20 -1200 0 С и нагрузках от 10 до 100 МПа показали, что ползучесть характеризуется тремя режимами: первичным; вторичным, когда скорость ползучести минимальна min, и третичным. Для промежуточного режима min описывается уравнением: min(сек)= 0 exp(17 1)( / 0)2, 0 0, 1 exp{(458 12, к. Дж/моль)/RT}(1) где 0=1 МПа и 0=1 с. Время до разрушения может быть вычислено из выражения: tf=exp(-2, 0 0, 3) min-1 (2)

Свойства МАХ-материалов Рис. 10. Внешний вид исходных (a) и испытанных на ползучесть при растяжении образцов: (b) 1050 0 C, 60 МПа, время испытаний 50 час; (c) 1200 0 C, 60 МПа, время испытаний 3, 86 час; (d) 1050 0 C, 40 МПа, время испытаний 252 час; (e) 1000 0 C, 60 МПа, время испытаний 230 час (f) 1200 0 C, 20 МПа, время испытаний 32 час (g) 1200 0 C, 60 МПа, время испытаний 3, 86 час (h) 1000 0 C, 40 МПа, время испытаний 830 час.

Свойства МАХ-материалов Рис. 10 б. Результаты испытаний на ползучесть при изгибе

Свойства МАХ-материалов М. Барзоу определил микротвердость поверхности образцов из Ti 3 Si. C 2 при нагрузке до 500 м. Н, используя сферический алмазный индентор диаметром 13, 5 мкм. Было изучено влияние кристаллографической ориентации на микротвердость. В одной серии кристаллов Ti 3 Si. C 2 базовые плоскости были параллельны поверхности, в другой – перпендикулярны, при этом получаемые кривые «нагрузка – глубина проникновения индентора» конвертировались в кривые «нагрузка - деформация» . Было установлено, что для образцов, которые нагружались по нормали к оси «c» , характерно линейно-упругое поведение, описываемое модулем Юнга в 320 ГПа, с отчетливо видимым полем отпечатка, откуда определялась твердость, составлявшая 4, 5 ГПа. Когда нагрузка была нормальна оси «a» , начальный отклик был тоже линейно-упругий, а твердость равнялась 4 ГПа. Таким образом, микротвердость образцов из Ti 3 Si. C 2 существенно ниже микротвердости, измеренной с поверхности кристаллитов карбидов и силицидов.

Свойства МАХ-материалов Жаростойкость образцов – свидетелей из Ti 3 Si. C 2 была определена С. Янгом, З. Саном и Х. Хашимото и при 1000 0 С на воздухе. Рис. 11 -12. Зависимость толщины окисленного слоя образцов из Ti 2 Al. C (h, мкм) от длительности термоэкспозиции на воздухе ( , час) и СЭМ изображение поверхности образца из Ti 3 Si. C 2 после 3 х часовой термоэкспозиции на воздухе при 1000 0 С

МАХ-покрытия и методы их получения В России (ММП имени В. В. Чернышева, МАИ, НИИЭФА имени Д. В. Ефремова, НИИ «Композит» , Станкин, МИФИ) и Белоруссии (НИИ порошковой металлургии БАН) в 2004 -2006 гг. были начаты работы по формированию MAX-материалов методом СВС-синтеза с последующим горячим изостатическим прессованием при T=1200 -1500 0 С и P=50 -100 МПа для проверки результатов М. Барзоу и получения новых материалов, возможно из этого же класса MAX-фаз, в системе Tin. Si. Bm.

МАХ-покрытия и методы их получения Тонкие пленки на основе MAX-фаз Ti 2 Al. C, Ti 2 Al. N, Ti 3 Al. C 2, Ti 3 Si. C 2 и др. были синтезированы магнетронным распылением в условиях ультравысокого вакуума 6, 67 10 -8 Па Дж. Палмквистом с сотрудниками в университете Упсала (Швеция) с применением отдельных мишеней из чистых компонентов будущего покрытия (титан, алюминий, кремний, углерод или карбид титана/кремния), а также используя многокомпонентную мишень, содержащую соответствующую MAX-фазу. Было показано, что для получения качественной сплошной пленки Ti 3 Al. C 2 температура подложки должна превышать 750 0 С. Микротвердость сформированных Дж. Палмквистом 50 нм пленок составляла 20 ГПа, а модуль Юнга достигал 260 ГПа.

МАХ-покрытия и методы их получения Г. Ремнев и В. Шулов получили тонкие нанокристаллические пленки из Ti 2 Al. C толщиной 50 нм на поверхности образцов из сплава ВТ 18 У при облучении МИП. Рис. 13. СЭМ - изображение тонкой пленки на основе Ti 2 Al. C, сформированной на поверхности образцов из сплава ВТ 18 У (съемка с поверхности малоуглового косого шлифа с углом при вершине 1 град).

МАХ-покрытия и методы их получения Н. Ночовная, А. Рябчиков и др. опубликовали результаты пробных экспериментов, проведенных в НИИЯФ при ТПУ, МАИ, ММП имени В. В. Чернышева и ВИАМе по созданию и определению свойств эрозионно-коррозионных покрытий системы титан кремний (20 мас. %) - бор (4 мас. %) на деталях компрессора ГТД из сплава ВТ 6. Для нанесения покрытий использовались источник ионных пучков и плазмы «Радуга-5» и установка ННВ 6 с дуговым испарителем.

МАХ-покрытия и методы их получения Рис. 14. Влияние вакуумноплазменного покрытия (10 мкм: «Ti-20 % Si-4 % B» ) на усталостную прочность образцов из сплава ВТ 6. Рис. 15. Влияние вакуумноплазменного покрытия (10 мкм, состав - «Ti-20 % Si-4 % B» ) на сопротивление пылевой эрозии образцов из сплавов ВТ 6 и ВТ 8.

МАХ-покрытия и методы их получения 20 мкм Рис. 16 -17. Топография поверхности и микроструктура материала в поверхностном слое образца из сплава ВТ 6 (РД 1700) с покрытием Ti-Si-B, полученном на ускорителе Радуга-5 (толщина покрытия - 5 мкм, а модифицированной зоны – 25 мкм).

МАХ-покрытия и методы их получения

МАХ-покрытия и методы их получения Рис. 19. Катоды на основе МАХ-фаз системы Ti-Si-B, полученные методом СВС-синтеза, могут подвергаться механической обработке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате критического анализа опубликованных данных по проблеме получения и исследования свойств нового класса материалов (MAX-фаз) установлено, что кардинальное повышение эрозионных, коррозионных и прочностных свойств деталей, изготавливаемых из жаропрочных сплавов, удается обеспечить за счет нанесения на поверхность нанокристаллических покрытий систем титанкремний-бор, титан-кремний-углерод и титаналюминий-углерод на основе макс-фаз вакуумноплазменным методом с сепарацией плазмы от капельной фракции при ассистировании процесса ионной имплантацией этих элементов.