1 / 48

Разработка новых ультра-высокотемпературных композитов c металлической матрицей

Разработка новых ультра-высокотемпературных композитов c металлической матрицей. С . Т . Милейко Институт физики твёрдого тела РАН, Черноголовка Московской обл, Россия, 142432. На заре эры композитов ….

phil
Download Presentation

Разработка новых ультра-высокотемпературных композитов c металлической матрицей

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Разработка новых ультра-высокотемпературных композитов c металлической матрицей С.Т. МилейкоИнститут физики твёрдого тела РАН, Черноголовка Московской обл, Россия, 142432

  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 1 110 791: Старт углепластиков и современных КПП

  5. 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...

  6. Причины существования в тени КММ • Существенно более сложные технологии (высокие температуры, давления) • Стабильность структур при высоких температурах • 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/cm3) 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: 1980 1995 (NASA): Stop 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 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. 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.

  10. Что сделано в мире за последние 20 – 25 лет Композиты оксид-никель: 1980 1995 (NASA): Stop 1997 2007 (ИФТТ): 1150оС 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 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. 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.

  11. ИФТТ Ni-сплавы: Tmax ~ 1100oC Плотность 9 г/cм3 Сегодняшние композиты: Tmax ~ 1150oC Плотность 6.7 г/cм3 Предел для композитов с никелевой матрицей~ 1200oC

  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, 175-182 (1990).

  13. Что сделано в мире за последние 20 – 25 лет Ниобиевые сплавы (ниобий-силициды ниобия, сложные силициды): US Patent 7,632,455 High temperature niobium alloyUS, December 15, 2009 Nekkanti, R. N. and Dimiduk, D. M., Ductile-phase toughening in niobium-niobium. Mat. Res. Sac. Symp. Proc.194, 175-182 (1990).

  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-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, Intermetallics20 (2012) 141-154: Further optimization of these alloys is still required to tailortheir microstructures for the utually exclusive requirementsof oxidation resistance, creep resistance and damagetolerance

  16. Ограничения по соотношению прочность – трещиностойкость для металлических сплавов

  17. Прочность – трещиностойкость КММ Boron - aluminium

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

  19. Армирующие волокна?

  20. Internal crystallisation method then

  21. Internal crystallisation method 5. Dissolution of molybdenum

  22. Internal crystallisation method 5. Dissolution of molybdenum

  23. Суперсплавы и композиты с Ni-матрицей

  24. Суперсплавы и композиты

  25. Internal crystallisation method then

  26. Internal crystallisation method

  27. 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

  28. Oxidation of molybdemum-matrix composites T= 1000oC, S=20 cm2

  29. Oxidation of molybdemum-matrix composites T= 1000oC, S=20 cm2

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

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

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

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

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

  35. A side view of the YAG-fibre/molybdenum-matrix specimen heated at 1000oC for 1 h 3MoO3+Y2O3  3MoO3·Y2O3

  36. A side view of the YAG-fibre/molybdenum-matrix specimen heated at 1000oC for 1 h MoO3 3MoO3+Y2O3  3MoO3·Y2O3

  37. Покрытие необходимо! Модельное покрытие–Cr-слой,100 

  38. Al2O3-Y3Al5O12/Mo комозитые образцы до испытаний и после выдержки в струе продуктов сгорания керосина при температуре 1300оС в течение 20 ч

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

  40. Крипостойкость Al2O3-Y3Al5O12/Mo composite, 1300oC

  41. Крипостойкость Плотности: Композит ~ 7 g/cm3 Сплав~ 10 g/cm3 Сплав: 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.

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

  43. Крипостойкость МВК-волокон

  44. Жаростойкость Муллит-молибденового композита Отжиг на воздухе 1200оС – 0.5 ч Мо Муллит-Мо Отжиг на воздухе 900оС – 0.5 ч Отжиг на воздухе 1000оС – 0.5 ч

  45. 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.

  46. 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.

More Related