Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы
1.1.Общая характеристика нитрида кремния. Композиционные материалы на основе нитрида кремния 14
1.2.Общая характеристика нитрида бора. Композиционные материалы на основе нитрида бора 20
1.3. Материалы на основе композиции нитрид кремния - нитрид бора: методы получения, свойства и применение 31
1.4.Анализ методов изготовления материалов на основе нитрида кремния и нитрида бора 43
1.5.Современные представления о процессах спекания и структурообразования при горячем прессовании материалов на основе нитрида кремния и нитрида бора 50
1.6.Перспективы создания многослойных конструкций из композиционных материалов 56
1.7.Выводы и постановка задачи исследования . 61
Экспериментальные исследования и обсуждение результатов
2. Исходные материалы, методы исследования и оборудование
2.1. Исходные материалы 65
2.2. Методы исследования 66
2.3. Оборудование и технология горячего прессования 70
3. Разработка технологии изготовления композиционного горячепрессованного материала нитрид кремния-нитрид бора ...73
4. Исследование физико-механических, теплофизических и специальных свойств горячепрессованных материалов на основе si3n4-bn
4.1 .Структурные свойства 78
4.2.Прочностные и упругие свойства 83
4.3Леплофизические свойства 90
4.4. Устойчивость к длительному окислению, термоциклированию, воздействию высокотемпературного газового потока 96
4.5.Характеристики износа и твердости 102
4.6.Химическая стойкость ..107
4.7.Паспортизация материала ОТМ-918 116
5. Создание многослойных конструкций на основе горячепрессованных материалов системы Si3N4-BN
5Л.Отработка технологического процесса изготовления многослойных
заготовок 118
5.2. Комплексное исследование прочностных характеристик ...125
6. Разработка и испытание изделий из горячепрессованного материала SI3N4-BN
6.1.Оптимизация конструкции и материала изделий на основе теплопрочностного расчета 127
6.2. Разработка элементов надроторного уплотнения 138
6.3. Расчет теплонапряженного состояния образца и изделий «вставка надроторного уплотнения» применительно к условиям испытаний 145
6.4. Разработка деталей проточного тракта струйной системы коррекции траектории 151
6.5. Расчет теплонапряженного состояния изделия «втулка» 156
6.6. Разработка сепараторов подшипника 159
6.7. Разработка изделий для стекольной промышленности 164
Выводы 167
Список литературы
- Материалы на основе композиции нитрид кремния - нитрид бора: методы получения, свойства и применение
- Оборудование и технология горячего прессования
- Устойчивость к длительному окислению, термоциклированию, воздействию высокотемпературного газового потока
- Комплексное исследование прочностных характеристик
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из наиболее важных проблем материаловедения является создание новых керамических конструкционных материалов для перспективных областей науки и техники. В этой связи несомненный интерес представляет класс высокотемпературных соединений, способных работать при температурах 1200-2000°С. Это, прежде всего, бескислородные соединения с преимущественно ковалентным типом связи -нитриды, карбиды, бориды, силициды. Уникальное сочетание физико-механических свойств (высокая температура разложения, высокие значения прочности, устойчивость к термическим ударам, жаропрочность) бескислородных керамических материалов позволяет выделить их как перспективный класс высокотемпературных материалов [1].
В течение последних десятилетий в наиболее технически развитых странах ведутся интенсивные исследования и разработки керамических конструкционных материалов и технологии изготовления изделий для теп-лонапряженных узлов двигателей [2]. Предельные рабочие температуры деталей горячих узлов из сплавов не превышают 950-1000°С.
Среди проблем создания керамических элементов двигателей одной из наиболее сложных является изготовление элементов надроторного уплотнения (НУ) газотурбинного двигателя. Как известно, в ГТД с целью предотвращения возможного заклинивания ротора между вращающимися и неподвижными частями предусмотрены тепловые зазоры, которые в значительной степени определяют его работоспособность. В современных газотурбинных двигателях в целях повышения экономичности и надежности вводятся различного рода специальные узлы уплотнений, позволяющие уменьшить радиальные тепловые зазоры и исключить заклинивание. К материалу надроторных уплотнений предъявляются следующие требования: высокая жаростойкость (вплоть до 1300°С), эрозионная стойкость (термоэрозионный унос не более 1%), высокая термостойкость под воздействием периодически меняющегося температурного поля (не менее 50 циклов), хорошая истираемость (глубина врезания рабочей лопатки в материал НУ - 0,5-1 мм), микротвердость материала прирабатываемого слоя - 400-500 кгс/мм2 (40-50 МПа), стабильность высокотемпературных прочностных характеристик (прочность материала на изгиб при Т = 1300°С не менее 200 МПа).
В практике широко используются бесконтактные конструкции узлов уплотнения: лабиринтные, профильные, саморегулирующие, а также допускающие контакт - с использованием сотовых элементов и легкосрабатываемых материалов, которые устанавливаются в виде вставок, секторов и покрытий, например, в виде двухслойных металлокерамических вставок. Первый слой служит для обеспечения достаточной прочности, второй слой мягкий, хорошо срабатывающийся в случае касания рабочей лопатки. Однако рабочая температура таких вставок ограничена не только температурой плавления металла, но и температурой начала интенсивного окисления.
Корпорацией Куосега разработаны керамические нитридкремниевые материалы SN281 и SN282, обладающие повышенной высокотемпературной прочностью и стойкостью к окислению, для использования в деталях и узлах ГТД, в том числе надроторных уплотнениях [3]. Измененная конструкция обода НУ, выполненного из материала SN282, предусматривает прикрепление к нему истираемой вставки, выполненной из пористого нитрида кремния. В то время как плотность материала обода составляет 3,4 г/см , у материала вставки она почти в два раза ниже - 1,9 г/см2; прочность материалов также различна и составляет 635 и 101 МПа соответственно при температуре 1000°С.
Учитывая жесткие требования, предъявляемые к надроторным уплотнениям, поиск материалов, работоспособных в данных условиях, также осуществлялся среди термостойкой керамики, обладающей достаточной прочностью.
Материалы на основе нитрида кремния, полученные методом горячего прессования в настоящее время характеризуются наибольшей прочностью (предел прочности при изгибе 700-ЮООМПа, сохраняющийся до 1500°С), высокой трещиностойкостью -7-10 МПа м172, твердостью HRC 94-96, стойкостью к высокотемпературному окислению и переменным нагрузкам. Механическая обработка высокоплотных материалов обеспечивает высокую точность и качество рабочей поверхности, что особенно важно при изготовлении элементов газотурбинных двигателей и двигателей внутреннего сгорания.
Для синтеза высокопрочных материалов в условиях горячего прессования особенно перспективно применение тонкодисперсных высокоактивных композиционных порошков нитрида кремния, полученных методом плазмохимического синтеза. Использование таких порошков обеспечивает формирование в процессе горячего прессования плотной мелкозернистой матрицы с удлиненными зернами нитрида кремния и тугоплавкой межзеренной фазой. Однако высокая твердость данного материала ограничивает возможности его применения в элементах надроторного уплотнения.
Как известно, при создании композиционных материалов решается задача придания новому материалу положительных свойств одного из исходных компонентов. При этом изменение соотношения компонентов композиционного материала может привести к изменению его свойств.
Твердость керамики на основе нитрида кремния может быть значительно снижена путем введения в его структуру более мягкого керамического материала. В качестве второго компонента композиционного материала оптимальным является нитрид бора гексагональной структуры, обладающий высокой термостойкостью, и, благодаря особенностям его кристаллического строения, низкой твердостью и хорошей истираемостью [4]. Нитрид бора состоит из параллельных плоских слоев, которые построены из гексагонов, состоящих из чередующихся атомов бора и азота. Атомы связаны сильными ковалентными связями в пределах слоя и слабым взаимодействием между слоями. Такая структура обуславливает уникальную термостойкость нитрида бора, высокие теплофизические характеристики, химическую инертность, мягкость, легкую обрабатываемость. Однако эти же особенности структуры, а именно, отсутствие прочных связей между слоями, низкая диффузионная подвижность атомов, высокая анизотропия теплового расширения, несмачиваемость, обуславливают серьезные трудности при попытках получить керамику из нитрида бора. Другой серьезный недостаток материалов на основе нитрида бора - относительно низкая температура начала интенсивного окисления, равная 900°С, также ограничивает применение их в чистом виде. Поэтому, несмотря на бесспорные достоинства керамических материалов из нитрида бора, они до сих пор мало внедрены в промышленность. Как в нашей стране, так и за рубежом давно ведутся интенсивные поиски путей получения керамики из нитрида бора; предложен ряд методов, которые в целом можно разделить на два направления: получение чистого, самосвязанного нитрида бора из порошков разупорядоченной структуры и получение композиционных материалов на основе нитрида бора из порошков гексагональной структуры.
Таким образом, перспективным представляется использование этих соединений в качестве компонентов одного композиционного материала. Исследования по разработке композиционного материала в системе Si3N4 - BN уже нашли свое отражение в ряде работ отечественных и зарубежных ученых [5-7]. Рассмотренные в них материалы получены, как правило, методами горячего прессования или шликерного литья с последующим спеканием. Содержание нитрида бора варьируется в разных пределах в зависимости от назначения. Общим для всех материалов недостатком являются невысокие значения прочности при увеличении содержания нитрида бора до значений, достаточных для обеспечения низкой твердости и хорошей истираемости. Описанный в работе [8] материал, полученный методом реакционного спекания порошков кремния и бора в среде азота, разработан для использования в надроторных уплотнениях и обладает большой степенью однородности и равномерным распределением частиц, а также высокой стойкостью к окислению. Однако вследствие значительной пористости керамики ее механические характеристики даже при небольшом содержании нитрида бора (содержание бора в порошке кремния - 12,5 %) не высоки: предел прочности на изгиб составляет 175±20 МПа; микротвердость при этом слишком значительна - 3500 МПа. Увеличение прочностных характеристик ограничивается возможностями самой технологии реакционного спекания. Тем не менее разработанный материал может успешно использоваться в качестве вставки надроторного уплотнения. Данная конструкция не предусматривает закрепления детали, поэтому требования по прочности не так высоки.
Интерес к композиционному материалу сегодня обусловлен также тем, что благодаря успехам в технологии изготовления сложнопрофильных изделий его в настоящее время можно рассматривать как огнеупорный конструкционный материал для авиационной, ракетно-космической техники, стекольной промышленности, машиностроения и т.д. С этой точки зрения целесообразным представляется изучение различных дополнительных эксплуатационных характеристик материала: химической стойкости, стойкости к расплавам стекла и металлов.
В то же время в некоторых изделиях необходимо одновременное применение материалов с различными физико-механическими характеристиками (см. стр.2). Так, в конструкции надроторных уплотнений рабочего колеса газотурбинных двигателей, помимо легкой срабатываемости пером лопатки, необходимо обеспечить высокую прочность в месте закрепления. В связи с этим большое внимание в настоящее время уделяется созданию функционально-градиентных материалов (ФГМ), свойства которых постепенно изменяются при переходе от одной поверхности к другой. Одним из вариантов получения таких материалов является изготовление многослойной керамики, при этом технология горячего прессования представляется наиболее перспективной с точки зрения обеспечения прочности соединения слоев. Кроме того, данный процесс является одностадийным в отличие от других методов получения многослойных изделий.
Цель работы. Разработка горячепрессованного композиционного материала в системе SisN BN, обладающего высокой прочностью, термостойкостью в сочетании с относительно низкой твердостью, работоспособного в условиях высоких механических и термических нагрузок, а также апробация его в изделиях.
Поставленную цель достигали путем создания материала переменного состава, свойства которого можно регулировать при варьировании соотношением компонентов исходной шихты. Для этого потребовалось решить следующие задачи:
• Исследовать возможность использования плазмохимических композиционных порошков в системах Si3N4-Y203 и Si3N4-MgO в качестве основного компонента шихты композиционного материала;
• Изучить влияние соотношения компонентов шихты на структуру и свойства керамики;
• Провести исследование физико-механических, теплофизических и специальных свойств широком диапазоне составов и температур;
• Разработать технологию изготовления широкого спектра изделий из однородного материала;
• Разработать технологию изготовления многослойных конструкций. Научная новизна. Впервые разработан горячепрессованный материал переменного состава с использованием ультрадисперсных плазмохимических композиций Зіз -УгОз и Si3N4-MgO и гексагонального нитрида бора для использования в элементах горячей зоны двигателей, который по уровню прочности при температурах до 1400-1500°С, стабильности механических свойств в диапазоне температур от 20 до 1400-1500°С, стойкости к термическим нагрузкам, в том числе к воздействию высокотемпературного переменного теплового поля в сочетании с умеренной твердостью превосходит свойства зарубежных аналогов.
Исследование взаимосвязи состав - свойства показало, что для полного завершения спекания композиционного материала при горячем прессовании содержание порошка нитрида бора в исходной шихте не должно превышать 60 % масс. Установлены закономерности формирования особо прочной структуры. Структура композиционного материала представляет собой матрицу с включениями пластин нитрида бора, расположенных перпендикулярно направлению горячего прессования. По мере увеличения массовой доли нитрида бора происходит постепенная замена матрицы SisN4 матрицей BN. Установлено отсутствие химического взаимодействия между частицами нитрида бора и матричного материала.
Исследован комплекс свойств и эксплуатационные характеристики разработанного материала в диапазоне температур от 20 до 1400-1500°С. Установлены закономерности изменения основных физико-технических свойств горячепрессованного композиционного материала в широком интервале температур, которые легли в основу теплопрочностных расчетов конструкционных элементов и предопределяют работоспособность изделий в теплонапряженных конструкциях.
Показана возможность получения в данной системе многослойного материала, свойства которого постепенно изменяются при переходе от одной поверхности к другой, изучен механизм формирования переходной зоны на границах слоев. С использованием теплопрочностных расчетов показана возможность оптимизации состава материала по слоям в зависимости от предъявляемых требований.
Новизна разработок подтверждена патентами на изобретение:
1."Шихта для изготовления керамического материала" (в системе Si3N4-Y203-BN).
2."Шихта для изготовления керамического материала" (в системе S13N4-MgO-BN).
3."Способ получения многослойных керамических изделий из композиционного материала".
Практическая значимость. В результате материаловедческих и технологических исследований разработан и паспортизован горячепрессованный композиционный материал ОТМ-918 (паспорт N 229), который успешно прошел апробацию в ряде изделий высокотемпературного назначения и внедрен в опытное производство ОНПП "Технология". Материал по комплексу свойств не уступает зарубежным аналогам, превосходя их по уровню прочности, в том числе и высокотемпературной. Выпущены технические условия на материал ТУ 1-596-358-92. Практически осуществлен выбор параметров горячего прессования, состава шихты в зависимости от требуемых габаритов и функционального назначения изделий.
Использование в качестве компонента шихты ультрадисперсной плаз-мохимической композиции Si3N4-MgO позволило получать крупногабаритные изделия диаметром до 220 мм, например, обод надроторного уплотнения.
Разработана опытно-промышленная технология горячего прессования деталей двигателей, обеспечивающая воспроизведение характеристик материала ОТМ-918 - истираемые вставки и монолитный обод надроторного уплотнения, а также технология получения многослойных керамических изделий из композиционного материала, состав и свойства которых изменяются постепенно от слоя к слою (сегменты и вставки НУ, многослойный обод). Создание таких изделий позволило существенно расширить область применения композиционного материала.
Разработанные материалы и технологии успешно апробированы в ряде натурных и макетных изделий, разработанных по техническим заданиям предприятий - заказчиков: НПО «Сатурн» (ОАО "Рыбинские моторы"), НПО "Союз", Машиностроительного конструкторского бюро "Факел" им. академика П.Д.Грушина, ФГУП ГНЦ ЦИАМ им. П.И.Баранова.
Длительные испытания на термоциклирование, жаростойкость и механические нагрузки на стенде подтвердили высокую работоспособность изделий. По результатам испытаний получены положительные заключения.
Благодаря возможности регулировать свойства материал находит применение и в других областях народного хозяйства: стекольной промышленности (термостойкие детали керамических пресс-форм для прессования из із делий из стекла), машиностроении (детали высокоскоростных подшипников -сепараторы), ракетно-космической технике (детали проточного тракта струйной системы).
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на VII Всесоюзном семинаре "Получение, свойства и применение нитридов" в г.Риге в 1991г. и на четырех научно-технических конференциях по жаропрочным неорганическим материалам в г. Обнинске в 1990, 1992, 1996, 1998 гг., на конференции молодых ученых и специалистов "Актуальные вопросы материаловедения" в г.Львове в 1991 г, а также на международных конференциях: 7 Международном Симпозиуме по механике разрушения керамики (г. Москва, 1999г.) и 7 Международном Симпозиуме "Керамические материалы и компоненты для двигателей" (г. Гослар, Германия, 2000г.), II Всемирном Конгрессе по Трибологии (г. Вена, Австрия, 2001), конференциях в Киеве и Кацивели (2002г.), конференции JUNIOR-EUROMAT (г.Лозанна, Швейцария, 2004г.). Изделия из композиционного горячепрессованного материала Si3N4-BN экспонировались на отраслевых выставках. На V Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, ВВЦ, 2005 г.) разработка «Высокотемпературные композиционные материалы в системе SisN BN» была награждена золотой медалью. По материалам диссертации опубликовано 13 статей, 14 тезисов к докладам, главы к 8 научно-техническим отчетам, получено 3 патента на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и выводов; содержит 194 стр. машинописного текста, включая 18 таблиц, 83 рисунка, библиографию к работе, состоящую из 206 наименований, 2 приложения.
Материалы на основе композиции нитрид кремния - нитрид бора: методы получения, свойства и применение
Система SisN4-BN давно привлекала внимание исследователей благодаря уникальности свойств исходных компонентов и материалов системы в целом. Нитрид кремния отличается высокой прочностью (предел прочности при изгибе 700-1000 МПа, сохраняющийся до 1500С), трещиностойкостью (7-10 МПа м1/2), твердостью (HRC 94-96), стойкостью к высокотемпературному окислению (прирост массы не более 0,03% за 100 ч при 1300С на воздухе) и переменным нагрузкам [96]. Нитрид бора отличается высокой термостойкостью, хорошей обрабатываемостью [97]. Более подробно свойства этих материалов уже описаны в разделах 1.1, 1.2.
В работе [98] рассматриваются технология и свойства материалов на основе гексагонального нитрида бора, в том числе разрабатываемые фирмой Дэнки Кагаку Коге (Япония). Отмечены такие свойства гексагонального нитрида бора, как высокие термостойкость и теплопроводность, низкий ТКЛР, химическая стойкость к расплавам многих металлов высокие трибологические характеристики, хорошая механическая обрабатываемость. Керамику на основе гексагонального нитрида бора получают горячим прессованием при давлении 10-30 МПа и температуре 1600-2000С, либо обычным спеканием в неокислительной атмосфере. По мнению авторов, при создании композитов на основе нитрида бора решают задачу улучшения его свойств (например, снижения пористости, повышения прочности), либо придания другому материалу положительных свойств нитрида бора (смазывающие свойства, механическая обрабатываемость, теплопроводность), либо придания гексагональному нитриду бора новых свойств. Фирма выпускает материалы как из чистого нитрида бора, так и с различными дополнительными компонентами, в том числе с нитридом кремния (SNB/30, SNB/50, SNB/70). При анализе свойств полученных композитов можно отметить тенденцию снижения плотности и прочности с увеличением содержания нитрида бора.
Компания Kawasaki Steel Corp. также занимается разработкой материала на основе гексагонального нитрида бора [99]. Для увеличения высокотемпературной прочности и влагостойкости, а также с целью ограничения роста кристаллитов BN, в материал дополнительно вводятся добавки нитрида кремния, оксида магния и оксида алюминия в заданных соотношениях: 2-Ю % S13N4, 1-3 % MgO, 1-3 % AI2O3. Последние два компонента играют роль спекающих добавок. Материал получают методом спекания.
В ряде других работ компании [5,100-102] описаны материалы, разработанные в системе Si3N4-BN, в которых содержание нитрида бора может составлять 10, 20, 30 и 40 масс.%. При получении композиционной керамики марки SNB использовался уникальный метод шликерного литья, включающий гомогенное смешивание ультрадисперсных порошковых компонентов (Si3N4 и BN), и спекание под давлением. Отличительной особенностью материала является возможность управления свойствами в широком диапазоне при изменении содержания нитрида бора (рис. 1.1).
Другим, важным для практического использования, преимуществом материала является его механическая обрабатываемость при сохранении относительно высокой прочности (так, прочность при изгибе обрабатываемой керамики с 10 и 20 масс.% BN составляет соответственно 350 и 200 МПа).
Кроме того, по сравнению с монолитной нитридкремниевой керамикой, термостойкость значительно возрастает при увеличении содержания BN. Авторы считают, что увеличение термостойкости связано в основном с уменьшением термических напряжений при снижении значений модуля Юнга, коэффициента Пуассона и КТР в композиционной керамике. Отмечена закономерность падения прочности при увеличении содержания BN вследствие увеличения пористости (рис.1.2.).
Оборудование и технология горячего прессования
Установка может работать при заполнении камеры азотом до избыточного давления около 0,005 МПа. Гидравлическая система обеспечивает подачу масла в силовой гидроцилиндр и создает возможность по заданному режиму прикладывать давление к пуансону прессформы. Вакуумная система позволяет удалить из камеры воздух перед наполнением ее азотом, а также вести процесс прессования в вакууме.
Нагрев осуществляли регулированием мощности, подаваемой на индуктор от генератора повышенной частоты (ВПЧ 100/2400). Температуру измеряли термопарой градуировки ТВР 20/5, установленной на нижнем пуансоне. Тепловую защиту графитовой матрицы обеспечивала футеровка из листового асбеста и гранулированной цирконовой засыпки. Контроль процесса горячего прессования проводили по изменению скорости усадки. Процесс горячего прессования производили при максимальных значениях температуры 1750-1800С и давления 20-25 МПа. При использовании в качестве исходного сырья порошковых композиций с оксидом магния в качестве спекающей добавки значения температуры и давления составляли 1600-1700С и 10-15 МПа соответственно. Выпрессовку заготовок осуществляли в горячем состоянии непосредственно после завершения процесса спекания без разборки вакуумной камеры с помощью механизма для выпрессовки. Это позволяет избегать разрушения заготовки при ее охлаждении из-за различия в величине коэффициентов термического расширения графита прессформы и композиционной керамики Si3N4- BN.
Детали прессформы изготавливали из графита марок ГМЗ (ТУ 48-20-86-81) и В-1 (ТУ 48-20-65-82). Перед сборкой рабочие поверхности деталей обезжиривали промывкой в изопропиловом спирте и наносили защитное покрытие на основе нитрида бора.
Для приготовления механической смеси нитрид бора брали в количестве 10-60 масс.%, а композиционный порошок 8із -У2Оз или SisN MgO — в количестве 90-40 масс.% соответственно. Смешивание осуществляли в полиэтиленовых емкостях на лабораторной валковой мельнице со скоростью вращения 30 оборотов в минуту. Соотношение твердая фаза: жидкость: мелющие тела выдерживали 1:4:1. Мелющие тела цилиндрической формы размером 10x20 мм из материала ТСМ 303, ТУ 116-71 изготавливали по технологии предприятия.
Смешивание ультрадисперсных композиций Si3N4-Y203 и Si3N4-MgO с нитридом бора проводили совместно с эффективным помолом в течение 50-100 часов, после чего бензин удаляли сушкой в вытяжном шкафу в течение 2,5-3 часов при перемешивании. Высушенный порошок пропускали через сито №063.
Керамические заготовки после проведения процесса горячего прессования шлифовали алмазным кругом на плоскошлифовальном станке типа ЗЕ 111 (станкозавод «Красный Борец», г.Орша, Беларусь). Из шлифованных заготовок алмазными фрезами вырезали образцы для определения свойств керамики.
Для создания композиционного материала на основе Si3N4-BN использовалась шихта, полученная механическим смешиванием двух компонентов: порошковой плазмохимической композиции Біз -УгОз или SijN MgO (матрица) и порошка гексагонального нитрида бора (наполнитель). Инертные добавки гексагонального нитрида бора вводились в количестве от 10 до 60 масс.% с шагом 10 % [183,184].
Технологическая схема процесса изготовления материала представлена на рис.3.1. Ряд операций в этом технологическом процессе отрабатывались применительно именно к данному материалу и поэтому требуют особого рассмотрения.
Перемешивание с целью гомогенизации проводилось в шаровой мельнице совместно с помолом. Влияние времени на эффективный помол частиц BN в шихте исследовалось на примере порошков чистого BN и шихты состава (Si3N4-Y2O3)-40% BN с длительностью помола от 20 до 100 ч.
Исходный порошок нитрида бора представляет собой частицы в виде пластин гексагональной и несколько удлиненной формы и размерами от 1-5 мкм до 12-15 мкм (рис.3.2).
Устойчивость к длительному окислению, термоциклированию, воздействию высокотемпературного газового потока
Результаты высокотемпературных испытаний подтверждают перспективность разработанного материала для применения в элементах надроторного уплотнения ГТД при температурах 1000-1300С. Поведение материла при более низких температурах - незначительная окисляемость и сохранение заданной твердости - свидетельствует о возможности его использования в сепараторах подшипников.
Характеристики износа и твердости
Испытания на износостойкость при комнатной температуре предназначены для оценки способности материалов сопротивляться воздействию набирающих нагрузок при трении скольжения. Задачей исследования являлось определение допустимого интервала свойств, обеспечивающих хорошую срабатываемость пером лопатки; в то же время прочность и эрозионная стойкость материала должны быть достаточно высоки. Так как свойства данного материала определяются его составом, т.е. соотношением весового содержания SisN BN, конечная цель состояла в выборе четких границ по составу материала с учетом его последующего применения.
Исследование характеристик износа и твердости горячепрессованных образцов композиционного материала проводилось в ВНИПП, г.Москва, на машине типа ЛТМ 01-00-00 и на приборе "Твердомер". Микротвердость материала также определялась в ИФТПЭ АН Литвы, г.Каунас, и в ОНПП "Технология" на приборе ПМТ-3. Использование разных методик позволяет получать более широкую информацию по свойствам.
Данные по твердости, измеренные по методу Роквелла, шкала С (HRC), показали изменение этой величины обратно пропорционально содержанию нитрида бора в материале с 64-66 (при содержании BN равном 10%) до 6-8 HRC для составов с 50 % BN (рис.4.24). Результаты по износу, определенные весовым методом как разница в весе образца до и после испытаний, свидетельствуют о соответствующем росте его значений (рис.4.25,4.26). Такие результаты можно было предположить, зная особенности кристаллического строения нитрида кремния и гексагонального нитрида бора, а также закономерности при уплотнении этих веществ в процессе горячего прессования.
Следует отметить, что большой интерес представляет возможность эксплуатации изделий в условиях повышенных температур, поэтому износ определялся также и для образцов, прошедших режим термообработки (окисление) в течение 10 ч. при температуре 1300С. В этом случае увеличение удельной доли нитрида бора в большей степени влияет на величину износа, очевидно, вследствие частичного разрушения более рыхлого поверхностного слоя при окислении.
Как уже было указано в разделе 4.1, борсодержащие фазы в составах с небольшим (до 40 %) содержанием BN расположены неравномерно и ориентированы перпендикулярно направлению прессования. Так, при содержании нитрида бора от 10 до 30 % они образовывают свои отдельные, удлиненные от нескольких до 250 мкм, скопления, которые практически не связаны с основной массой. В связи с этим микротвердость определялась отдельно для основной и борсодержащей фаз. Для состава с 10% BN эти значения составляли 13,9 и 1,4 ГПа соответственно; для состава с 20 % BN -11,2 и 0,7 ГПа, для состава с 30 % BN - 8,8 и 0,5 соответственно. Начиная от состава с 40 % BN, распределение борсодержащих фаз становится более равномерным; для материала уже характерна общая микротвердость, которая составляла: для состава с 40 % BN - 5,2 ГПа, для состава с 50 % BN - 0,5 ГПа, для состава с 60 % BN - 0,2 ГПа (рис.4.27). При исследовании микротвердости HV по несколько отличной методике (величина нагрузки варьировалась) также наблюдалось явление неоднородности материала при небольшом содержании нитрида бора, характер изменения свойств основной (Si N ) и борсодержащей (BN) фаз в основном соответствует представленным выше (рис.4.28); некоторые несовпадения измеренных значений микротвердости можно
В целом зависимость значений микротвердости от состава композиционного материала аналогична закономерному изменению твердости HRC с изменением содержания нитрида бора, но при измерении твердости по методу Роквелла полученные данные являются более обобщенными.
Можно допустить, что материал, отвечающий составам с повышенным содержанием нитрида бора (40-60 %) наиболее удовлетворяют требованиям, предъявляемым к материалу надроторных уплотнений ГТД. Однако в газотурбинных двигателях предусмотрены различные варианты конструктивного решения надроторных уплотнений, связанные с их сборкой и закреплением, поэтому требования по прочности также неодинаковы. Окончательный выбор состава материала можно сделать только по результатам стендовых испытаний в условиях, максимально приближенных к рабочим.
Определение характеристик твердости и износа, а также установление их зависимости от химического состава материала является важным не только для оценки его применимости в деталях ГТД, но и для исследования перспектив использования в других областях промышленности. Широкий спектр изменения трибологических свойств обеспечивает большие возможности выбора области применения материала. Так, керамика состава 20-30 % BN по совокупности свойств может быть выбрана в качестве материала для сепараторов подшипника (более подробно в разделе 6.6).
Оптимальное сочетание механических и теплофизических свойств композиционного материала Si3N4 - BN позволяет использовать его в сепараторах подшипника, надроторных уплотнениях, узлах трения, работающих, в том числе, и в химически активных средах, таких, как минеральные кислоты и щелочи, продукты сгорания топлива, природный газ, содержащий сероводород и окись азота, расплавы морской соли и др. В этих условиях керамические материалы и, в первую очередь, их поверхность разрушаются в результате коррозии и работоспособность изделий будет определяться в основном их коррозионной стойкостью, литературные данные по которой для системы Si3N4 - BN отсутствуют. Следует отметить, что процесс коррозии данного композиционного материала в агрессивных средах является весьма сложным в связи с тем, что композит представляет собой многофазную систему. Таким образом, возникает задача исследования химической стойкости материала Si3N4 - BN и влияния различных технологических факторов на процесс коррозии в минеральных кислотах и щелочах.
Определение кислотостойкости (К,%) горячепрессованного материала системы Si3N4-Y203-BN проводили во всем диапазоне составов от 10 до 60 % BN. В качестве агрессивных сред использовали HF, НС1, HNO3, H2S04 и КОН. Длительность контакта (60 сут.) была обусловлена требованиями к эксплуатации изделий.
Данные о химических реакциях нитрида бора часто противоречивы. По данным авторов [192] на нитрид бора не действуют никакие минеральные кислоты (кроме HF), и вообще он чрезвычайно инертен к любому типу химического взаимодействия. С понижением плотности материала его стойкость уменьшается. Стойкость чистого BN в разбавленных кислотах выше, чем в концентрированных и уменьшается в ряду HN03 - НС1 - H2SO4.
Комплексное исследование прочностных характеристик
Из всех композиций с твердым слоем, содержащим 10 % BN, по уровню Опт наиболее предпочтительна конструкция состава (60, 50, 10)% BN. Тем не менее в качестве твердого слоя материал с 10% BN использовать не рекомендуется. Замена твердого слоя на материал с 20% BN приводит к уменьшению уровня атах по всем трем слоям. Для трехслойных конструкций проводился также анализ влияния толщины слоев на распределение максимальных напряжений по слоям на режиме нагрева. Для исследования были выбраны следующие комбинации материалов по содержанию нитрида бора в конструкции: (50, 30, 10)% BN, (50, 20, 0)% BN, (40, 10, 0)% BN, (60, 30, 10)% BN. Исследования показали, что толщина слоя может привести к заметному изменению атах только в тех случаях, когда общая толщина многослойной конструкции достигает или превышает 1 см.
Исследование четырехслойных композиций показало, что применение в качестве твердого слоя материала с 10% BN также увеличивает значения отах в промежуточных слоях.
Расчет максимальных напряжений, проведенный для термостойкой шайбы из однородного материала, показал, что по величине предельной прочности имеется некоторый запас только у материала ОТМ-918 с 20%, 30% и 40% BN, а также ОТМ-915. Однако материал ОТМ-918 с (20-30)%» BN является более перспективным, так как, имея запас прочности по термическим напряжениям, он обладает более высокой прочностью - до 350 МПа. Последнее немаловажно, так как наряду с высокими тепловыми нагрузками шайба подвержена и силовым воздействиям: давлению газа и акустическим вибровоздействиям.
Результаты всей серии расчетов представлены в отдельной справке [200] и техническом отчете [201].
Разработка элементов надроторного уплотнения Конструкция надроторного уплотнения должна обеспечивать высокую прочность в месте закрепления и истираемость в месте касания пера лопатки, которая достигается увеличением содержания нитрида бора в композиционном материале, а следовательно, и снижением его прочности.
Разработанные варианты надроторных уплотнений различны не только по своей конструкции, но и по материалу. Наиболее простым в исполнении является вариант вставки размером 20x30x5 из однородного материала с большим содержанием нитрида бора (рис.6.10). Вставка закрепляется механически в сегменте из более прочного материала и обеспечивает необходимую истираемость. Более сложным в исполнении, но более надежным с конструктивной точки зрения является вариант сегмента или вставки с использованием многослойного материала, позволяющего сочетать в одном изделии свойства прочности и истираемости (рис.6.11). Максимально надежной конструкцией считается вариант цельнокерамического обода диаметром 250 мм из многослойного материала (внутренний слой истираемый). Однако получение такого изделия является достаточно сложной задачей в условиях горячего прессования.
Наибольшее число отказов (пять) происходило по первой причине, т.е. при возникновении іттах во вставках, содержащих слой с 10 % BN в различных сочетаниях. Анализ повреждений от воздействия температуры газового потока показал наличие продольных трещин в соседнем со слоем с 10 % BN более мягком, а следовательно, и менее прочном слое.
В ходе испытаний положительные результаты были получены на вставках из материалов со слоями, содержащими 20, 40, 60 % BN (рис.6.14,г) и 20, 50 % BN, при этом слой с 20 % BN обеспечил прочность крепления, а слои с 50 и 60 % BN - требуемую глубину врезания (0,5 мм). Эти данные хорошо согласуются с результатами расчетов.
Разработанный композиционный материал был апробирован также в ряде надроторных уплотнений другой конструкции, о которых упоминалось выше, таких как истираемые вставки НУ из однородного материала с повышенным содержанием нитрида бора, сегменты НУ из многослойного материала, а также цельнокерамический обод как из однородного материала, так и многослойный с внутренним истираемым слоем [202,203].
Испытания проходили в два этапа. На первом этапе испытаний максимальная температура газового потока достигала 1120С при средней температуре 936С. Время выдержки на каждом режиме - 10 мин. В результате визуального осмотра состояния керамических деталей, производимого при частичной разборке установки после каждого режима, дефектов обнаружено не было. На втором этапе испытаний Tmaii достигала 1220С при средней температуре 1007С и времени выдержки на каждом режиме 60 мин. При разборке и дефектации разрушений также не обнаружено.
По результатам проведенных испытаний Заказчиком было принято решение о целесообразности продолжения испытаний до полного ресурса с обеспечением условий истирания.
По чертежам Рыбинского КБМ был также изготовлен комплект сегментов надроторного уплотнения (изд.63) из многослойного материала с различным сочетанием слоев (рис.6.16.)
