Отчет о научно-исследовательской работе «Разработка физико-химических основ создания градиентных антиокислительных покрытий с высокими температурами службы»

Цель: изучение физико-химических закономерностей формирования и получение стеклокерамических покрытий с низкой температурой образования (до 1000°С), которые в процессе эксплуатации изделия способны обеспечить защиту углеродного материала от окисления (выгорания) при температурах до 2000°С. Температура формирования покрытий ограничена 1000°С, чтобы избежать деформации углеродного материала (в случае деталей сложной формы и большого размера). Проведены исследования физико-химических процессов, протекающих при формировании жаростойких покрытий на основе бескислородных тугоплавких соединений (ZrSi₂, HfB₂, SiC и др.) с добавками кремнийсодержащих связующих, и установлены физико-химические закономерности, определяющие скорость образования герметизирующего стеклокерамического слоя на воздухе при температурах 1000 - 1400°С, который предотвращает окисление и последующее разрушение защищаемого углеродного материала. С использованием шликерно-обжиговой технологии получены жаростойкие стеклокерамические покрытия состава (40 - 20) ZrB₂ – (60 - 80) TiSi₂, мол. %, позволяющие защитить графит от выгорания в процессе службы при температуре 1200ºС (привес массы менее 12 мг/см² за 1 ч). Покрытия обладают свойством самозалечивания, имеют сложную гетерогенную структуру – частицы высокотемпературных оксидов ZrO₂, TiO₂, ZrSiO₄ и др. распределены в матрице тугоплавкого боросиликатного стекла. Исследована кинетика образования защитного стеклокерамического слоя при формировании покрытий в системах HfB₂-HfSi₂, ZrB₂-HfSi₂, ZrSi₂-HfB₂ и ZrB₂-ZrSi₂ в воздушной атмосфере при 1000°С. Показано, что введение в исходную композицию HfB₂/ZrB₂-HfSi₂/ZrSi₂ нанодисперсных частиц SiO₂ (в форме дисперсии LUDOX HS-40) способствует образованию герметизирующего боросиликатного расплава и его равномерному растеканию по поверхности образцов в условиях высокой поверхностной энергии системы. Изучена жаростойкость композитов в широком диапазоне составов системы (100-х)ZrB₂₋ₓTiSi₂, х = 5 - 95 мол. % при температурах 1100 – 1400°С в воздушной атмосфере. Получены жаростойкие композиты – в зависимости от состава и температуры привес находится в интервале 20 - 50 мг/см² после 1 ч термообработки. Выявлена экстремальная зависимость увеличения веса композиционного материала от содержания ZrB₂/TiSi₂ в составе исходной композиции, определены оптимальные составы х = 60, 80. Разработан оригинальный сольвотермальный метод синтеза оксидов переходных металлов в среде безводной капроновой кислоты. Получены порошки диоксида титана, допированного оксидами ванадия, железа, иттрия, эрбия, иттербия и др. редкоземельных элементов (0,01 - 0,3 мас. %) с размером частиц 25 - 120 нм. Достоинство метода заключается в возможности проведения синтеза в безводных условиях, и соответственно, введения в исходную систему малорастворимых в воде соединений, что позволяет добиться однородного распределения допанта, а также варьировать размеры и форму частиц, их кристаллическую модификацию. Метод перспективен для получения высокотемпературных сложнодопированных оксидов стратегического назначения, в том числе соединений гафния, производство которых отсутствует в России.