Новий абляціоний захист ракет і літаків не випаровується навіть при 3000°C

0
292

Надзвукові літаки майбутнього можуть значно скоротити час трансконтинентальних перельотів: з Москви в Нью-Йорк можна буде потрапити за три годинниківи, але одна з найголовніших проблем у їх розробці захист критичних компонентів, таких як носок крила (передня кромка), головний обтічник (ніс) і камери згоряння реактивних двигунів. На швидкості в 5 і більше Махов вони піддаються потужному окислення і екстремальних температур, які досягають 2000-3000°C (число Маха відповідає швидкості звуку: наприклад, на висоті 11 км вона дорівнює 295 м/с або 1062 км/год).

В останні роки йде активна робота над створенням керамічних покриттів, але найкращим з них вдавалося витримувати тільки відносно невисоку температуру 1200-1500°C, після чого з речовини покриття в результаті абляції випаровувалися деякі елементи, тобто порушувалася структура покриття. Зараз група вчених з Інституту Ройса при Університеті Манчестера (Великобританія) і Центрального південного університету (Китай) розробила новий матеріал з поліпшеними характеристиками, який без структурних змін витримує температуру до 3000°C. Це керамічне покриття Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26, яке накладається на матрицю вуглець-вуглецевого композиту C/C з допомогою реактивної інфільтрації розплаву та цементації.

За своїми характеристиками нове покриття значно перевершує саму кращу високотемпературну кераміку (ultra-high temperature ceramics, UHTC), не кажучи вже про зразках минулого. Наприклад, нижня і бічна частина поверхні планера «Буран» покривалася керамічною плиткою ТЗМК-10 і ТЗМК-25 з робочою температурою до 1250 °C. Американські аналоги Li-900 і Li-2200 мали приблизно такі ж характеристики. Керамічне покриття з Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26 на вуглець-вуглецевий композиті витримує 3000°C. Воно на порядок краще, ніж карбід цирконію (ZrC), який сьогодні традиційно використовується для покриття ріжучих інструментів.

Наприклад, на графіку внизу показано опір абляції (MAR і LAR) різних термостійких матеріалів, які використовуються сьогодні в промисловості, авіації і космонавтиці. Випробування проводилися в машині для ацетилено-кисневого різання. Як бачимо, Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26 (круглі позначки в зеленому полі) кардинально перевершує всі інші матеріали в тестах різної тривалості і на різній температурі. Показник MAR означає швидкість абляції по масі (mass ablation rate), тобто швидкість випаровування речовини покриття. Показник LAR (linear ablation rate) означає швидкість лінійної абляції та відповідає просторової стабільності матеріалу. Наприклад, ZrC при температурі 2500°С втрачає 1,10 мг маси на квадратний сантиметр за секунду, а Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26 — всього 0,14 мг.

В інших тестах на 2000-2500°C матеріал показує близьку до нуля втрату ваги або збільшення ваги (із-за окислення), що означає чудову теплостійкість і незначну абляції в потоці гарячого газу.

На фотографіях показана темно-сіра поверхня матеріалу до проведення випробувань, а також поверхню після двохвилинних випробувань при температурі 2000°C і 2500°C. У центрі правого зразка знаходиться ділянка, де температура полум’я досягала 3000°C. Там помітні сліди абляції і опуклості висотою менше 72 мкм із-за випаровування оксидів з низькою температурою плавлення, а на поверхні відсутні які-небудь порожнини і вибоїни через абляції.

Матеріал розроблений у Великобританії, а виготовлений в Інституті порошкової металургії Центрального університету південного Китаю. Дослідники підкреслюють, що застосування техпроцесу з реактивною інфільтрацією розплаву кардинально зменшує час, необхідний для виготовлення. Друга важлива інновація — нанесення на матрицю з вуглець-вуглецевого композиту, що значно підвищило теплостійкість кераміки.

Хімічна структура термостійкої кераміки сама по собі виконує роль захисного механізму. При температурі 2000°C матеріали Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26 і SiC окислюються і перетворюються в Zr0.80T0.20O2, B2O3 і SiO2, відповідно. Zr0.80Ti0.20O2 частково розплавляється і формує щодо щільний шар, а оксиди з низькою температурою плавлення SiO2 і B2O3 випаровуються через «канали евакуації», дірки (ілюстрація a внизу). При більш високій температурі 2500°C кристали Zr0.80Ti0.20O2 сплавляються в більш великі утворення, закриваючи дірки (ілюстрація b внизу). При температурі 3000°C формується майже абсолютно щільний зовнішній шар, в основному, складається з Zr0.80Ti0.20O2, титанату цирконію та SiO2 (ілюстрація c, e внизу).

Нова абляционная захист може знайти застосування не тільки в надзвукових військових і цивільних літаках, але і в космічних кораблях, що повертаються космічних модулях, ракет, реактивних снарядів, авіаційних двигунах та ін. Звичайно ж, її можна використовувати для покриття робочих поверхонь на сверлах, фрез та інших інструментах, які піддаються високій температурі — для міцності і довговічності виробу.

Наукова стаття “Ablation-resistant carbide Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26 for oxidizing environments up to 3,000°C” опубліковано 14 червня 2017 року в журналі Nature Communications(doi:10.1038/ncomms15836).

Оцініть статтю

НАПИСАТИ ВІДПОВІДЬ

Please enter your comment!
Please enter your name here