УДК 620.168.3

ОСОБЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЙ КЕРАМИЧЕСКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА SiC_f/SiC_m НА ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНУЮ СТОЙКОСТЬ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ УСЛОВИЯХ И НАГРУЗКАХ

SPECIFIC FEATURES OF STUDIES OF CERAMIC COMPOSITE MATERIAL SIC_F/SIC_M ON THERMAL OXIDATION STABILITY UNDER OPERATING CONDITIONS AND LOADS

Каримбаев Тельман Джамалдинович, проф., д.т.н., нач. отдела ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова», Москва, 111116, ул. Авиамоторная д.2, Россия, karimbayev@ciam.ru, тел +7 (495) 362 49 72, конструкционная прочность керамических и композиционных материалов

Мыктыбеков Бахытжан, к.т.н., начальник сектора. ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова», Москва, Россия, bahit@ciam.ru, тел +7 (495) 362 49 72, конструкционная прочность керамических и композиционных материалов

Мезенцев Михаил Александрович, начальник сектора. ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова», Москва, Россия, mma@ciam.ru, тел +7 (495) 362 49 72, конструкционная прочность керамических и композиционных материалов

Karymbayev Telman, professor, Dr. Sci. Tech., head of department of «Central Institute of Aviation Motors after Baranov P.», Moscow, Russia, Aviation Motor Str, 2, e-mail: bahit@ciam.ru, phone: +7 (495) 362 49 72, structural strength of ceramic and composite materials

Myktybekov Bahit, head of sector of «Central Institute of Aviation Motors after Baranov P.», Moscow, Russia, Aviation Motor Str, 2, e-mail: bahit@ciam.ru, phone: +7 (495) 362 49 72, structural strength of ceramic and composite materials

Mezentsev Mikhail, head of sector of «Central Institute of Aviation Motors after Baranov P.», Moscow, Russia, Aviation Motor Str, 2, e-mail: mma@ciam.ru, phone: +7 (495) 362 49 72, structural strength of ceramic and composite materials

Аннотация. Высокотемпературные исследования и испытания керамического композиционного материала на основе карбид кремниевой матрицы упрочненной бескерновыми волокнами карбида кремния (SiC_f/SiC) при условиях близкими к эксплуатационным необходимо проводить при комбинации: нагрузок и высокой температуры полученной газовым пламенем.

Определены основные требования к исследованию образцов из керамических композиционных материалов на термоокислительную стойкость при кратковременных и повторно-статических нагрузках

Исследования выполнены при финансовой поддержке  РФФИ в рамках научного проекта №18-29-18071\19.

Summary. High-temperature research and testing of a ceramic composite material based on a silicon carbide matrix reinforced with coreless silicon carbide fibers (SiCf / SiC) under conditions close to operating conditions must be carried out with a combination of loads and high temperatures obtained by a gas flame.

The basic requirements for the study of specimens made of ceramic composite materials for thermal oxidative resistance under short-term and repeated-static loads are determined.

The studies were carried out with the financial support of the Russian Foundation for Basic Research in the framework of the research project No. 18-29-18071\19

Ключевые слова: керамический композиционный материал, волокна карбида кремния, испытания, термоокислительная стойкость.

Key words: ceramic composite material, silicon carbide fibers, testing, thermal oxidation resistance.

Введение

Высокотемпературные испытания керамических композиционных материалов (ККМ) при кратковременных и повторно-статических нагрузках при растяжении проводят на гидравлических испытательных установках с различными устройствами нагрева испытуемого объекта. Для этих целей могут быть использованы образцы ККМ различного типа, регламентированные ГОСТ Р 57706-2017 «Композиты керамические. Метод испытания на растяжение при повышенной температуре» (см. рисунок 1) в зависимости от материала, структуры армирования, типа нагрева и крепления. Высокотемпературный нагрев рабочей зоны образца ККМ производиться с помощью:

• косвенного индукционного метода;
• высокотемпературные печи (оснастка с образцом располагается внутри печи).

Однако, как показывают зарубежные исследования [1 – 4] при определении характеристик малоцикловой усталости (МЦУ) при высоких температурах, комбинация нагрузок, температуры и окислительной деструкции играют существенную роль. Так, в технологическом институте ВВС США [5 – 8] был создан стенд (рисунок 2), в котором вместо нагрева образцов в специальной печи использовалась газовая горелка, параметры пламени которого имитировали продукты сгорания камеры сгорания газотурбинного двигателя (ГТД). На этом стенде были проведены исследования на малоцикловую термоусталость (R=0.05 и частота 1 Гц) при температуре 1400 °С и сравнены с результатом, полученным с использованием стандартной лабораторной печи при тех же условиях.

Как показал результат, при нагрузке 125 МПа, образцы в лабораторной печи выдержали 58838 циклов, а образцы в стенде с газовой горелкой 8 329 циклов.

Термоокислительная стойкость – это стойкость к процессам деструкции, протекающим в керамическом композиционном материале при совместном воздействии на него температуры и окислительной среды, приводящий к изменению химического состава и/или первоначальной структуры композитного материала и его последующему разрушению.

Результаты работы [6] демонстрируют существенное снижение прочности ККМ SiC/SiC при испытаниях на стенде с газовой горелкой (рисунок 3).

Основная часть

Исходя из вышеперечисленных исследований, при разработке ККМ на основе непрерывных волокон SiC и матрицы SiC необходимо отработать два метода испытаний на малоцикловую усталость:

• МЦУ при высокой температуре с использованием лабораторной печи;
• МЦУ с использованием газовой горелки с параметрами, имитирующими тепловые потоки и состав идентичный с условиями эксплуатации в двигателе.

Это позволит дать обоснованную рекомендацию по возможности применения этих ККМ в конструкции ГТД.

На основе проведенного анализа научно-технической информации для стандартных образцов, конструктивно-подобных элементов из керамических материалов SiC_f/SiC_m составлен перечень характеристик ККМ, который необходимо определить при нагреве горелкой в условиях окислительной среды близкой к эксплуатационной  (см. таблицу 1).

Анализ нормативной документации показывает, что перечень стандартоы для испытаний ККМ недостаточен. В связи с этим необходимо разработать дополнительный перечень методик для определения характеристик ККМ указанных в таблице 1. Помимо прочностных характеристик, необходимо определить скорость эрозионного и коррозионного износа при воздействии высокоскоростной и высокотемпературной пламени, с содержанием  окислительных компонентов и мелких частиц.

Разработка устройства для испытаний на термоокислительную стойкость

Установка на определение стойкости к термоокислительной деструкции должна:

• иметь автоматическую регулировку температуры с точностью ±5 °С;
• обеспечивать отклонение температуры в отдельных точках в зоне расположения образцов не более ±5 °С от заданной температуры;
• обеспечивать омывание поверхности испытываемых образцов из ККМ продуктами сгорания с заданными параметрами расхода, скорости и температуры.

Продукты сгорания должны соответствовать или быть близкими по химическому составу к среде, в которой будет работать испытываемый ККМ. Примерная схема установки приведена на рисунке 4.

Оборудование для определения глубины проникновения коррозии после испытания на стойкость к термоокислительной деструкции должно позволять проведение двухмерное и/или трехмерное сканирование образца ККМ методом неразрушающего контроля с использованием электромагнитных волн и полей, измерять длину и глубину возникающих сколов, трещин и определять их формы.

Установка должна быть предназначена для усталостных испытаний стандартных образцов (МЦУ на разрывной машине) из керамических и керамических композиционных материалов (ККМ) типа  SiC_f/SiC_m при воздействии высокой температуры (до 1800 °С) и окислительной среды с парами воды (H2O, CO2, O2).

Основные технические требования к газовой установке приведены в таблице 2.

Схема воздействия газа при испытаниях образцов приведена на рисунке 5, где показаны области окислительной среды, паров воды и углекислого газа в различных объёмных соотношениях (см. таблицу 3). При испытаниях необходим газоанализатор для определения состава газов и их соотношений.

Установка должна состоять из:

• Нагружающей машины позволяющей производить усталостные испытания на МЦУ с высокотемпературными захватами
• Газовая установка, включая систему подвода газа, хранением газа, обеспечением расхода и скорости газового потока, газовая горелка
• Система автоматического регулирования расхода газа в зависимости от температуры, расхода паров воды
• Система контроля температуры материала и газа
• Газоанализатор

Объектами испытаний на определение стойкости к термоокислительной деструкции являются образцы ККМ.

Образцы ККМ представляют собой плоский образец см. рисункок 1.2.1 (тип VI), изготовленный из ККМ, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда. Стандартные размеры образцов согласно ГОСТ Р 57706-2017 «Композиты керамические. Метод испытания на растяжение при повышенной температуре».

Порядок проведения исследований

Рабочую температуру испытаний следует устанавливать в зависимости от условий эксплуатации исследуемого материала.

По окончании испытаний образец разгружают, очищают рабочую зону образца от образованного нагара и проводят контрольное взвешивание образца.

Нагар следует удалять пленкообразующими материалами, опрессовкой специальной резиной или химическим, электрохимическим, ультразвуковым и другими способами, не приводящими к нарушению целостности образца, изменению его размеров и ухудшению параметров шероховатости поверхности, или механическим способом с применением безабразивных паст. Удалять нагар с поверхности абразивными материалами не допускается.

Для определения степени термоокислительной деструкции с поверхности образца необходимо полностью удалить образовавшиеся продукты окисления.

После снятия окалины образцы должны быть тщательно промыты в проточной воде и высушены. Для этого очищенные от окалины образцы должны быть помещены в эксикатор с силикагелем на 1 ч, после чего их необходимо взвесить с точностью ±0,1 мг.

Основные результаты работы

Определены основные требования к исследованию образцов из керамических композиционных материалов на термоокислительную стойкость при кратковременных и повторно-статических нагрузках, а именно:

• Определен основной перечень необходимых характеристик ККМ;
• Сформированы общие требования к исследованиям;
• Определен тип устройства для исследований ККМ на термоокислительную стойкость;
• Сформированы требования к объекту, условиям и порядку проведения испытаний.

Список использованных источников

1. W. Zok Ceramic-matrix composites enable revolutionary gains in turbine engine efficiency, American Ceramic Society Bulletin 95(5):22-28, January 2016.
2. J. Davies , T. Ogasawara & T. Ishikawa (2001): Scanning electron microscopy study of failure in glass-sealed SiC/SiC-based composite (NUSKCMC) creep tested at 1100 and 1200°C in air , Advanced Composite Materials, 10:4, 357-367.
3. A. DiCarlo, H-M. Yun, G.N. Morscher, and R.T. Bhatt SiC/SiC Composites for 1200◦C and Above, DOI: 10.1007/0-387-23986-3_4.
4. T. Bhatt Creep/Stress Rupture Behavior of 3D Woven SiC/SiCComposites with Sylramic-iBN, Super Sylramic-iBNand Hi-Nicalon-S Fibers at 2700F in Air, https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20170005262.
5. Ojard, K. Rugg, L. Colby, M. Colby, L. Riester, Y. Gowayed Constituent Properties Determination and Model Verification for Ceramic Matrix Composite Systems // Mechanical Properties and Performance of Engineering Ceramics and Composites, A collection of papers presented at the 29th International Conference on Advanced Ceramics and Composites, January 23-28, 2005, Cocoa Beach, Florida, pp. 343-350.
6. Ted T. Kim, Shankar Mall, Larry P. Zawada. “Fatigue characterization of a melt-infiltrated woven Hi-Nic-S/BN/SiC ceramic matrix composite (CMC) using a unique combustion test facility”, Mechanical properties and performance of engineering ceramics and composites IV. https://doi.org/10.1002/9780470584262.ch9.
7. V Sabelkin1, S Mall, TS Cook and J Fish “Fatigue and creep behaviors of a SiC/SiC composite under combustion and laboratory environments“,Journal of composite materials (2015), Volume: 50 issue: 16, pages: 2145-2153. DOI: 10.1177/0021998315602323.
8. Ted T. Kim, Shankar Mall, Larry P. Zawada “Fatigue Behavior of Hi‐Nicalon Type‐S^™/BN/SiC Ceramic Matrix Composites in a Combustion Environment”. The International Journal of Applied Ceramic Technology (2011), Volume 8, Issue 2, Pages 261-272. https://doi.org/10.1111/j.1744-7402.2010.02558.x.