Разработка новых ультра- высокотемпературных композитов c металлической матрицей С.Т. Милейко Институт физики твёрдого тела РАН, Черноголовка Московской. - презентация

1 Разработка новых ультра- высокотемпературных композитов c металлической матрицей С.Т. Милейко Институт физики твёрдого тела РАН, Черноголовка Московской обл, Россия,

2 На заре эры композитов… A Kelly and R B Nicholson, Precipitation Hardening, Prog. in Mat. Sci., 10 (1963), 149 Kelly A and Tyson, W.R., Tensile properties of fibre- reinforced metals : copper/tungsten and copper/molybdenum, J. Mech. Phys. Solids, 6 (1965) 329. Kelly, A and Tyson, W.R., Tensile properties of fibre reinforced metals - II. Creep of silver-tungsten, J. Mech. Phys. Solids, 14 (1966), 177.

3 На заре эры композитов… A Kelly and R B Nicholson, Precipitation Hardening, Prog. in Mat. Sci., 10 (1963), 149 Kelly A and Tyson, W.R., Tensile properties of fibre- reinforced metals : copper/tungsten and copper/molybdenum, J. Mech. Phys. Solids, 6 (1965) 329. Kelly, A and Tyson, W.R., Tensile properties of fibre reinforced metals - II. Creep of silver-tungsten, J. Mech. Phys. Solids, 14 (1966), 177.

4 W. Johnson, L.N. Philips and W.Watt, U.K. Patent : Старт углепластиков и современных КПП

5 S Yajima, J Hayashi, M Omori Silicon carbide fibers having a high strength and a method for producing said fibers, US Patent 4,100,233 (1978): Старт композитов с керамической матрицей, SiC-SiC…. КММ ушли в тень...

6 Причины существования в тени КММ 1.Существенно более сложные технологии (высокие температуры, давления) 2.Стабильность структур при высоких температурах 3.Дорогивизна потенциальных армирующих волокон

7 Зачем это нужно: История жаропрочных никелевых сплавов The use temperature is characterized by creep resistance 150 MPa (density ~8 g/cm 3 ) on the 1000-h-base

8 Что сделано в мире за последние 20 – 25 лет Композиты оксид-никель Ниобиевые сплавы Молибденовые сплавы Главная проблема: баланс основных характеристик Крипостойкость – трещиностойкость – сопротивление газовой коррозии

9 Что сделано в мире за последние 20 – 25 лет Композиты оксид-никель: (NASA): Stop 1.Asthana, R., Tewari, S. N., Draper, S. L. Strength degradation of sapphire fibers during pressure casting of a sapphire-reinforced Ni-base superalloy. Metall. Mater. Trans., 1998, 29A, S.T.Mileiko, N.S.Sarkissyan, A.A.Kolchin, V.M.Kiiko, Oxide fibres in a Ni-based matrix – do they degrade or become stronger? Journal of Materials: Design and Applications, 218 (2004) No L3, R. Asthana, S.T. Mileiko, and N. Sobczak, Wettability and interface considerations in advanced heat-resistant Ni-based composites, Bulletin of the Polish Academy of Sciences, Technical Sciences, Vol. 54, No. 2, 2006,

10 Что сделано в мире за последние 20 – 25 лет Композиты оксид-никель: (NASA): Stop (ИФТТ): 1150 о С 1.Asthana, R., Tewari, S. N., Draper, S. L. Strength degradation of sapphire fibers during pressure casting of a sapphire-reinforced Ni-base superalloy. Metall. Mater. Trans., 1998, 29A, S.T.Mileiko, N.S.Sarkissyan, A.A.Kolchin, V.M.Kiiko, Oxide fibres in a Ni-based matrix – do they degrade or become stronger? Journal of Materials: Design and Applications, 218 (2004) No L3, R. Asthana, S.T. Mileiko, and N. Sobczak, Wettability and interface considerations in advanced heat-resistant Ni-based composites, Bulletin of the Polish Academy of Sciences, Technical Sciences, Vol. 54, No. 2, 2006,

11 ИФТТ Ni-сплавы: T max ~ 1100 o C Плотность 9 г/cм 3 Сегодняшние композиты: T max ~ 1150 o C Плотность 6.7 г/cм 3 Предел для композитов с никелевой матрицей~ 1200 o C

12 Что сделано в мире за последние 20 – 25 лет Ниобиевые сплавы (ниобий-силициды ниобия, сложные силициды): Nekkanti, R. N. and Dimiduk, D. M., Ductile- phase toughening in niobium-niobium. Mat. Res. Sac. Symp. Proc. 194, (1990).

13 Что сделано в мире за последние 20 – 25 лет Ниобиевые сплавы (ниобий-силициды ниобия, сложные силициды): Nekkanti, R. N. and Dimiduk, D. M., Ductile- phase toughening in niobium-niobium. Mat. Res. Sac. Symp. Proc. 194, (1990). US Patent 7,632,455 High temperature niobium alloyUS, December 15, 2009

14 Крипостойкость – трещиностойкость R. Tanaka, A. Kasama, M. Fujikura, I. Iwanaga, H. Tanaka and Y. Matsumura, Research and development of niobium-based superalloys for hot components of gas turbines, Proc. of the Intern. Gas Turbine Congress 2003 Tokyo, 1-5.

15 Что сделано в мире за последние 20 – 25 лет Молибденовые сплавы (Mo-Mo 3 Si-Mo 5 SiB 2 ) Состояние на сегодняшний день: J.A. Lemberg, M.R. Middlemas, T. Weingärtner, B. Gludovatz, J.K. Cochran, R.O. Ritchie, On the fracture toughness of fine-grained Mo-3Si-1B (wt.%) alloys at ambient to elevated (1300 o C) temperatures, Intermetallics 20 (2012) : Further optimization of these alloys is still required to tailor their microstructures for the utually exclusive requirements of oxidation resistance, creep resistance and damage tolerance

16 Ограничения по соотношению прочность – трещиностойкость для металлических сплавов

17 Boron - aluminium Прочность – трещиностойкость КММ

18 Один из возможных механизмов торможения трещины в композитной структуре (КММ) Микротрещины Макротрещина

19 Армирующие волокна?

20 then Internal crystallisation method

21 5. Dissolution of molybdenum Internal crystallisation method

22 5. Dissolution of molybdenum Internal crystallisation method

23 Суперсплавы и композиты с Ni-матрицей

24

25 Суперсплавы и композиты

26 then Internal crystallisation method

27

28 Oxidation of molybdemum-matrix composites ( S.T. Mileiko, Speeding up creep tests of novel high temperature composites, Proc of 15 th Intern Conf on Experimental Mechanics ) T= 1000 o C, S=20 cm 2

29 Oxidation of molybdemum-matrix composites T= 1000 o C, S=20 cm 2

30 Oxidation of molybdemum-matrix composites T= 1000 o C, S=20 cm 2

31 A face of a YAG-fibre/molybdenum-matrix specimen heated at 1000 o C for 1 h Fibre Matrix

32 Point123 Element at % Al K Y L Mo L Compound~Y 2 Mo 3 O 12 ~Al 2 O 3 ~Y 2 Mo 3 O 12 A face of a YAG-fibre/molybdenum-matrix specimen heated at 1000 o C for 1 h

33 Point123 Element at % Al K Y L Mo L Compound~Y 2 Mo 3 O 12 ~Al 2 O 3 ~Y 2 Mo 3 O 12 A face of a YAG-fibre/molybdenum-matrix specimen heated at 1000 o C for 1 h

34 A side view of the YAG-fibre/molybdenum-matrix specimen heated at 1000 o C for 1 h

35 Point567 Element at % Al K Y L Mo L Compound ~Y 2 Mo 3 O 12 ~Al 2 O 3 A side view of the YAG-fibre/molybdenum-matrix specimen heated at 1000 o C for 1 h

36 Point567 Element at % Al K Y L Mo L Compound ~Y 2 Mo 3 O 12 ~Al 2 O 3 A side view of the YAG-fibre/molybdenum-matrix specimen heated at 1000 o C for 1 h 3MoO 3 +Y 2 O 3 3MoO 3 · Y 2 O 3

37 Point567 Element at % Al K Y L Mo L Compound ~Y 2 Mo 3 O 12 ~Al 2 O 3 A side view of the YAG-fibre/molybdenum-matrix specimen heated at 1000 o C for 1 h 3MoO 3 +Y 2 O 3 3MoO 3 · Y 2 O 3 MoO 3

38 Покрытие необходимо! Модельное покрытие–Cr-слой, 100

39 Al 2 O 3 -Y 3 Al 5 O 12 /Mo комозитые образцы до испытаний и после выдержки в струе продуктов сгорания керосина при температуре 1300 о С в течение 20 ч

40 Трещиностойкость? A longitudinal section of an oxide-fibre/Mo-matrix composite specimen tested in tention at RT

41 Крипостойкость Al 2 O 3 -Y 3 Al 5 O 12 /Mo composite, 1300 o C

42 Крипостойкость Сплав: Jain V, Kumar KS. Tensile creep of Mo–Si–B alloys. Acta Mater :2124–2142. Lemberg JA, Middlemas MR, Weingärtner T, Gludovatz B, Cochran JK, Ritchie RO. On the fracture toughness of fine-grained Mo-3Si-1B (wt.%) alloys at ambient to elevated (1300 o C) temperatures. Intermetallics 2012; 20: Плотности: Композит ~ 7 g/cm 3 Сплав ~ 10 g/cm 3

43 Можно ли повысить рабочую температуру композитов с молибденовой матрицей? Можно, например, используя муллитовые волокна: 1.Наибольшая крипостойкость среди оксидов 2.Наличие кремния в составе волокна

44 Крипостойкость МВК-волокон

45 Жаростойкость Муллит-молибденового композита Отжиг на воздухе 900 о С – 0.5 ч Отжиг на воздухе 1000 о С – 0.5 ч Отжиг на воздухе 1200 о С – 0.5 ч Муллит-Мо Мо

46 Выводы Введение в молибденовую матрицу оксидных волокон, содержащих иттрий, приводит к существенному снижению скорости окисления молибдена при повышенных и высоких температурах. Монокристалличекие и эвтектические волокна обеспечивают высокую жаропрочность (крипостойкость) композитов Волокнистые композиты с металлической матрицей могут быть спроектированы таким образом, что их трещиностойкость превышает трещиностойкость материала матрицы. Полученные сегодня композиты работоспособны при температурах до 1300 о С.

47 Выводы Общая идея конструирования крипостойких композитов с тугоплавкой металлической матрицей, характеризующихся высокой трещиностойкостью и достаточно высокой жаростойкостью, состоит в армировании матрицы крипостойкими волокнами, содержащими элементы, обеспечивающие сопротивление окислению матрицы На этом пути можно получить конструкционные материалы с высокой крипостойкостью, жаростойкостью и трещиностойкостью для работы при температурах до 1600 о С.

48