Разработка новых ультра-высокотемпературных...

Разработка новых ультра-высокотемпературных композитов c

металлической матрицей

С.Т. МилейкоИнститут физики твёрдого тела РАН, Черноголовка Московской обл, Россия,

142432

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 1 110 791:

Старт углепластиков и современных КПП

S Yajima, J Hayashi, M OmoriSilicon 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

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

800

900

1000

1100

1200

TE

MP

ER

ATU

RE

/ о С

YEARS

DIRECTIONALLY SOLIDIFIED

SINGLE CRYSTALLINE

The use temperature is characterized by creep resistance 150 MPa (density ~8 g/cm3) 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 характеристикКрипостойкость – трещиностойкость – сопротивление газовой коррозии


Композиты оксид-никель:1980 1995 (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, 1527-1530

2. 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, 193-200.

3. 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, 147-166.


Композиты оксид-никель:1980 1995 (NASA): Stop

1997 2007 (ИФТТ): 1150оС1. 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, 1527-1530

2. 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, 193-200.

3. 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, 147-166.

ИФТТ

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

800

900

1000

1100

1200

TE

MP

ER

ATU

RE

/ о С

YEARS

OXIDE/Ni - COMPOSITES


SINGLE CRYSTALLINE

Ni-сплавы:Tmax ~ 1100oCПлотность 9 г/cм3

Сегодняшниекомпозиты:Tmax ~ 1150oCПлотность 6.7 г/cм3

Предел для композитов с никелевой матрицей~ 1200oC


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, 175-182 (1990).


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, 175-182 (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.


Молибденовые сплавы (Mo-Mo3Si-Mo5SiB2)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 (1300oC) temperatures, Intermetallics 20 (2012) 141-154: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

1000 150020

40

60

80

100

120

140

160

Crit

ical

stre

ss in

tens

ity fa

ctor

/ M

Pa.

м1/

2Strength / MPa

Ti alloys

500 1000 1500 2000 25000

100

200

300

Crit

ical

stre

ss in

tens

ity fa

ctor

/ M

Pa.

м1/

2

Strength / MPa

Steels

0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

20

40

60

80

Crit

ical

stre

ss in

tens

ity fa

ctor

/ M

Pa.

m1/

2

Fibre volume fraction0.0 0.1 0.2 0.3 0.40

200

400

600

800

1000

Stre

ngth

/ M

Pa

Fibre volume fraction

B-Al

Boron - aluminium

Прочность – трещиностойкость КММ

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

0.0 0.1 0.2 0.3 0.40

10

20

30

40

50

Fracture toughness of B/Al composites(Experiments by Mileiko et al., 1976)

G /

kJ/m

2

Vf

Микротрещины

Макротрещина

Армирующие волокна?

then

Internal crystallisation method

5. Dissolution of molybdenum


1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

800

1000

1200

1400

TEM

PE

RA

TUR

E /

о С

YEARS


WROUGHT

CAST


SINGLE CRYSTALLINE

Суперсплавы и композиты с Ni-матрицей

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.51000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

K1352

A1937

A1938

A1941

A1942

A1943

a1952

a1955

k1368

Ben

ding

stre

ngth

/ M

Pa

Fibre volume fraction

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.50

20

40

60

80

100

Load

/ kg

f

Displacement / mm

k1352

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00

20

40

60

80

100

Load

/ kg

f

Displacement / mm

a1937

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00

20

40

60

80

Load

/ kg

f

Displacement / mm

a1943

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.50

20

40

60

80

100

Load

/ kg

f

Displacement / mm

a1955

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

800

1000

1200

1400

TEM

PE

RA

TUR

E /

о С

YEARS


WROUGHT

CAST


SINGLE CRYSTALLINE

Changing matrix

Суперсплавы и композиты

then


10 15 20 25 30 35 400.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Mo Al2O3/Mo Al2O3-Al5Y3O12/Mo

Relat

ive d

ecre

ase

of m

ass

Time / min

Oxidation of molybdemum-matrix composites(S.T. Mileiko, Speeding up creep tests of novel high temperature composites,

Proc of 15th Intern Conf on Experimental Mechanics)

T= 1000oC, S=20 cm2

10 15 20 25 30 35 400.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Mo Al2O3/Mo Al2O3-Al5Y3O12/Mo

Relat

ive d

ecre

ase

of m

ass

Time / min

Oxidation of molybdemum-matrix composites

T= 1000oC, S=20 cm2

A face of a YAG-fibre/molybdenum-matrix specimen heated at 1000oC for 1 h

Fibre

Matrix

Point→ 1 2 3Element ↓ at % at % at %

Al KY LMo L

0.4311.3717.63

39.550.090.22

0.2311.6317.59

Compound→ ~Y2Mo3O12 ~Al2O3 ~Y2Mo3O12

A face of a YAG-fibre/molybdenum-matrix specimen heated at 1000oC for 1 h

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

Point→ 5 6 7Element ↓ at % at % at %Al K 0.05 0.42 38.08Y L 11.29 11.34 0.68Mo L 17.91 17.65 0.77Compound→ ~Y2Mo3O12 ~Y2Mo3O12 ~Al2O3




3MoO3+Y2O3 3MoO3·Y2O3



3MoO3+Y2O3 3MoO3·Y2O3MoO3

Покрытие необходимо!

Модельное покрытие–Cr-слой, 100

Al2O3-Y3Al5O12/Mo комозитые образцы до испытаний и после выдержки в струе продуктов сгорания керосина при температуре

1300оС в течение 20 ч

Трещиностойкость?A longitudinal section of an oxide-fibre/Mo-matrix composite

specimen tested in tention at RT

Крипостойкость

0.2 1 10 100 70050

100

150

200

Rupt

ure

stres

s / M

Pa

Time / h

Al2O3-Y3Al5O12/Mo composite, 1300oC

Крипостойкость

0.2 1 10 100 70050

100

150

200

Composite, 1300oC Alloy, 1300oC

Rupt

ure

stres

s / M

Pa

Time / hСплав: Jain V, Kumar KS. Tensile creep of Mo–Si–B alloys. Acta Mater 2010 58:2124–2142.

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 (1300oC) temperatures. Intermetallics 2012; 20:41-154.

Плотности:Композит ~ 7 g/cm3

Сплав ~ 10 g/cm3

Можно ли повысить рабочую температуру композитов с молибденовой матрицей?

Можно, например, используя муллитовые волокна:1. Наибольшая крипостойкость среди оксидов2. Наличие кремния в составе волокна

Крипостойкость МВК-волокон

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600

100

200

300

400

500

600

700

800

Alumina-YAG eutectic YAG <100> Mullite, with low volume fraction of glassy phase % (6)

C

reep

resi

stan

ce /

MP

a

Temperature / oC

Жаростойкость Муллит-молибденового композита

Отжиг на воздухе

900оС – 0.5 ч

Отжиг на воздухе 1000оС – 0.5 ч

Отжиг на воздухе 1200оС – 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 1300оС.

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 1600оС.

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Nb-Si-alloys

ToC

Superalloys

Oxide-fibre/Ni-matrix composites

Mo-Si-B alloys

HT CMC

Ref

ract

ory-

met

al-m

atrix

fibr

ous

com

posi

tes

Разработка новых ультра-высокотемпературных...

Documents

Transcript of Разработка новых ультра-высокотемпературных...