Разработка новых жаростойких покрытий для расширения температурно-временных интервалов применения жаропрочных углеродсодержащих композиционных материалов в скоростных высокоэнтальпийных потоках кислородсодержащих газов

Разработана программа и методика газодинамических стендовых испытаний созданных покрытий на образцах из УКМ в условиях взаимодействия со скоростными (М = 5,5-6,0) высокоэнтальпийными (H0 = 45-50 МДж/кг) потоками воздушной плазмы на базе индукционного плазмотрона мощностью 240 кВт, оснащенного высокотемпературной аэродинамической трубой ВАТ-104 (ФГУП «ЦАГИ»). Изготовлены экспериментальные образцы из УККМ класса C-SiC c защитными покрытиями на основе систем ZrSi2-MoSi2-ZrB2 и Si-ZrSi2-MoSi2-ZrB2 толщиной 80-120 мкм для огневых испытаний. С целью проведения контроля качества сформированных покрытий исследованы их структурно-фазовое состояние, характеристики адгезионной прочности и жаростойкость при 1650°C в условиях периодического окисления на воздухе. Проведена серия огневых экспериментов в соответствии с разработанной программой и методикой стендовых испытаний. Установлены закономерности и механизмы защитного действия покрытий в условиях обтекания и неравновесного нагрева потоками воздушной плазмы с числами Маха M = 5,5-6,0 и энтальпией 45-50 МДж/кг. Работоспособность покрытий обеспечивается структурно-фазовым состоянием основного слоя, образованием и эволюцией в процессе эксплуатации гетерогенной оксидной пленки. При повышении рабочих температур свыше Tw = 1750-1800°С происходит испарение с поверхности силикатного стекла и образование пористой структуры на основе ZrO2, что приводит к возникновению градиента температуры по толщине покрытий и, как следствие, к уменьшению скорости окисления внутренних слоев и снижению давления насыщенных паров стеклофазы. Показано, что рецептурный состав порошковой керамики, включающий (мас. %) 54 ZrSi2, 28 MoSi2 15 ZrB2, 3 Si, и технология формирования из него покрытия на C-SiC композите, в комплексе обеспечивают работоспособность конструкционной стенки в условиях гиперзвукового обтекания воздушной плазмой при плотности теплового потока до 200 Вт/см2 и реализации температур на поверхности Tw = 1800°C – не менее 900 с, при Tw = 1900°C – не менее 800 с, при Tw = 2000°C – не менее 500 с, при Tw = 2100°C – не менее 350 с. Выполнена оценка значений константы скорости гетерогенной рекомбинации атомов и ионов на поверхности покрытия при Tw = 1700-1900 и 2000-2500°К – Kw = 5 ± 2 и 11 ± 3 м/с соответственно. Даны предложения и рекомендации по использованию разработок в реальном секторе экономики.