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

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.

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.

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

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...

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

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

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

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,

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,

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

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).

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

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.

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

Ограничения по соотношению прочность – трещиностойкость для металлических сплавов

Boron - aluminium Прочность – трещиностойкость КММ

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

Армирующие волокна?

then Internal crystallisation method

5. Dissolution of molybdenum Internal crystallisation method

5. Dissolution of molybdenum Internal crystallisation method

Суперсплавы и композиты с Ni-матрицей

Суперсплавы и композиты

then Internal crystallisation method

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Покрытие необходимо! Модельное покрытие–Cr-слой, 100

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

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

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

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

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

Крипостойкость МВК-волокон

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

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.

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.