Получение методом СВС перспективных керамических материалов на основе боридов, силицидов циркония и карбида кремния

В современной промышленности большое внимание уделяется созданию новых высокотемпературных материалов для ответственных теплонагруженных деталей и узлов ракетно-космической техники, работающих в экстремальных условиях эксплуатации. Перспективными являются керамические материалы на основе боридов, силицидов циркония, молибдена, гафния, карбида кремния, обладающие высокой прочностью химических связей, теплопроводностью, электрической проводимостью, химической стойкостью и жаростойкостью. В отличие от традиционных технологий получения подобных материалов с помощью порошковой металлургии метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза обладает рядом преимуществ, среди которых - возможность синтеза высокотемпературных керамических материалов с повышенными служебными характеристиками и высокой химической чистотой благодаря эффекту «самоочистки»; высокая производительность процесса при сравнительно низких энергозатратах; возможность получения беспористых керамических и твердосплавных материалов. Синтез из элементов имеет большое прикладное значения для получения высокотемпературной керамики конструкционного назначения на боридной, силицидной и карбидной основе, в том числе мишеней-катодов для магнетронного напыления покрытий, высокодисперсного порошкового полуфабриката для технологий горячего прессования и искрового плазменного спекания. Работа посвящена созданию новых высокотемпературных керамических материалов на основе боридов, силицидов циркония и карбида кремния, перспективных для изготовления и защиты поверхности теплонагруженных элементов и конструкций, а также СВС-технологий их получения. Установлено определяющее влияние жидкофазных процессов химического взаимодействия на кинетику процесса горения элементных реакционных смесей в системах Zr - Si - B - (Al) и Zr - Si - B - C. Также была определена стадийность химических превращений в волне горения смесей Zr - Si - B - (Al) и Zr - Si - B - C: в зоне горения из расплава первоначально выделяется фаза диборида циркония, а фазы силицидов циркония или SiC образуются с временной задержкой в 0,5 с. Изменение температуры горения путем подогрева от внешнего источника тепла или путем разбавления реакционной смеси конечным продуктом качественно не влияет на стадийность фазообразования. Показана взаимосвязь физико-механических свойств керамических материалов в системе Zr - Si - B - Al и соотношения компонентов в реакционных смесях, проявляющаяся в том, что рост концентрации Si и Al приводит к увеличению доли легкоплавких эвтектик Zr-Si, Zr-Al и Al-Si, что способствует снижению остаточной пористости керамики. Установлено, что в системах Zr - Si - B - (Al) и Zr - Si - B - C - (Mo) наиболее высокой жаростойкостью (свыше 2000°С) обладают керамические материалы, в структуре которых содержатся силициды циркония и SiC, отсутствует свободный кремний, за счет образования на поверхности последовательно расположенных оксидных пленок ZrO₂-ZrSiO₄, SiO₂-B₂O₃, ZrO₂-SiO₂, обладающих эффектом самозалечивания путем заполнения трещин боросиликатной окалиной. Обнаружена взаимосвязь между соотношением фаз ZrB₂/SiC и теплопроводностью керамики ZrB₂-SiC-MoSi₂, проявляющаяся в том, что с увеличением доли SiC наблюдается рост коэффициента теплопроводности, что способствует быстрому отводу тепла из зоны контакта с высокоэнтальпийным потоком окислительного газа. Установлены оптимальные технологические режимы силового СВС-компактирования и изготовления керамических мишеней-катодов на основе ZrB₂ - ZrSi/ZrSi₂(ZrSiAl₂). В ООО «НПО «Металл» проведена апробация новых составов мишеней-катодов на основе ZrB₂ - ZrSi/ZrSi₂(ZrSiAl₂) в технологии магнетронного распыления многокомпонентных высокотемпературных покрытий. Также установлены оптимальные режимы синтеза гетерофазного порошкового полуфабриката ZrB₂ + Х% SiC (Х = 25, 50 и 75%), в том числе легированного дисилицидом молибдена, и его последующей консолидации методами горячего прессования и искрового плазменного спекания. В ОАО «Композит» проведены стендовые газодинамические испытания консолидированной керамики на основе ZrB₂ - SiC. Наилучшей стойкостью при 2100°С за 130 с испытаний обладает керамика ZrB₂-SiC-MoSi₂.