Разработка сверхвысокотемпературных покрытий для защиты от окисления жаропрочных углеродсодержащих материалов в скоростных высокоэнтальпийных потоках газов

Фундаментальная задача, на решение которой направлен проект, состоит в повышении рабочих температур отечественных углеродсодержащих композиционных материалов (C-C, C-SiC и др.) в скоростных высокоэнтальпийных потоках окислительных газов. Указанные материалы являются перспективными для изготовления из них теплонагруженных элементов конструкций планеров возвращаемых космических летательных аппаратов, атмосферных гиперзвуковых аппаратов, проточных трактов двигательных установок и пр. Основной целью проекта является создание новых жаростойких покрытий с увеличенным ресурсом защитного действия при температурах на поверхности Tw = 1900-2000°С и выше для обеспечения работоспособности жаропрочных углеродсодержащих композиционных материалов класса C-SiC и/или C-C в скоростных высокоэнтальпийных потоках окислительных газов. Предполагается, что в качестве базовой системы для проведения исследований будет взята система ZrSi2-MoSi2-ZrB2. Однако, с целью увеличения температуроустойчивости будет принципиально изменено соотношение между тугоплавкими ZrB2 (Tпл = 3245°С), MoSi2 (Tпл = 2020°С) и относительно легкоплавкой ZrSi2 (Tпл = 1620°С) фазами. Предполагается, что в качестве матричной фазы будет выступать дисилицид молибдена MoSi2, а не дисилицид циркония ZrSi2, как в ранее рассмотренных составах покрытий. Содержание фазы ZrSi2 планируется свести к минимуму или полностью исключить. Для увеличения вязкости формируемой при эксплуатации стеклофазы, снижения диффузионной проницаемости по кислороду и уменьшения упругости паров планируется модифицирование составов танталом, которое должно привести к увеличению степени гетерогенности образующихся оксидных пленок в результате реализации эффекта несмешиваемости оксидов (SiO2, ZrO2, Ta2O5). Наличие в пленке оксида Ta2O5 (Tпл = 1870°С) должно способствовать сохранению самозалечивающих свойств после испарения SiO2 (Tпл = 1713°С) при температурах эксплуатации порядка 2000°С и выше. Также ожидается, что модифицирование фазы ZrO2 танталом будет способствовать замещению катионов циркония в кристаллической решетке, что согласно реакции Крегера-Винка приведет к уменьшению концентрации кислородных вакансий и, как следствие, к снижению ионной проводимости. Другим направлением исследований в рамках проекта станет модифицирование метода шликерно-обжигового наплавления защитных слоев, используемого при формировании покрытий. Наплавление покрытий ранее исследованных составов системы ZrSi2-MoSi2-ZrB2 осуществлялось через матричную фазу ZrSi2 (44-54 мас. %) при температурах 1680-1700°С, при которых данная фаза пребывала в расплавленном состоянии, что обеспечивало реализацию режима жидкофазного спекания компонентов. Снижение доли фазы ZrSi2 или ее полное исключение с целью повышения тугоплавкости формируемого основного слоя покрытий неминуемо приведет к необходимости увеличения температуры термической обработки на 350-400°С. Это, безусловно, накладывает существенные ограничения на используемое технологическое оборудование, особенно при переходе от лабораторной к опытной технологии получения покрытий. Поэтому логическим продолжением работ станет разработка технологии формирования покрытий через промежуточную/исчезающую жидкую фазу. Ожидается, что данная фаза будет способствовать эффективному спеканию компонент за счет смачивания, капиллярных эффектов и увеличения скорости массопереноса. После ее исчезновения процесс формирования покрытий должен продолжиться в режиме твердофазного спекания. Предполагается, что в рамках настоящего проекта спекание компонентов будет обеспечиваться промежуточными жидкими фазами в системе Si-Mo-Ta с последующим реакционным синтезом основных тугоплавких фаз MoSi2 и TaSi2.