5. Аналіз технологій нанесення жаростійких покриттів на основі силіцидів тугоплавких металів в РКТ

5. Аналіз технологій нанесення жаростійких покриттів на основі силіцидів тугоплавких металів в РКТ

ISSN: 2617-5525

e-ISSN: 2617-5533

Автори: Надтока В. М., Гусарова І. О., Краєва В. С.

Організація: ДП "КБ "Південне" ім. М. К. Янгеля", Дніпро, Україна

ORCID авторів:

Надтока В. М. ORCID, Гусарова І. О. ORCID,
Краєва В. С. ORCID

Сторінка: Kosm. teh. Raket. vooruž. 2026, (1); 37-48

Мова: Українська

Анотація: Показано, що підвищити питомий імпульс тяги сучасних літальних апаратів можна, збільшив- ши робочі температури в камері згоряння за рахунок відмови від застосування завісного чи во- дяного охолодження. Наведено аналітичний огляд перспективних жаростійких покриттів на ос- нові дисиліциду молібдену та силіцидів тугоплавких металів, які можуть бути використані для захисту неохолоджуваних камер згоряння рідинних ракетних двигунів з ніобієвих сплавів. Про- аналізовано термодинамічні та кінетичні механізми високотемпературної газової корозії в діа- пазоні 1 200–1 700 °C, що зазвичай супроводжує утворення захисної склоподібної плівки SiO2. Виявлено головні причини деградації та руйнування силіцидних шарів, які полягають у виникненні мікротріщин через значну різницю коефіцієнтів термічного розширення між плівкою SiO2 і мета- левою основою, а також в інтенсивному випаровуванні кремнію у вигляді летких оксидів SiO за температур понад 1 800 °C. Показано, що параметри процесу руйнування покриття залежать від його складу та структури, які визначаються методом отримання покриття та умовами екс- плуатації. Тож створення нових технологій нанесення покриттів на основі MoSi2, що працездатні протягом тривалого часу за температур 1 700–1 800 оС, є важливим і актуальним завданням. Оцінено переваги та недоліки класичних і сучасних методів нанесення захисних покриттів (шлі- керних, дифузійних, плазмових і газотермічних). Обґрунтовано перспективність використання вакуумно-дугового методу осадження, що забезпечує значне покращення адгезії з основою завдяки високому ступеню іонізації плазмового потоку. Також проаналізовано ефективні способи подолан- ня проблеми крихкості катодів із силіцидів тугоплавких металів шляхом використання арочних магнітних полів, багатокомпонентних порошкових мішеней і передових методів іскро-плазмового спікання. Доведено доцільність створення вакуумно-дугової технології отримання жаростійких по- криттів на основі MoSi2 для захисту камер згоряння з ніобієвих сплавів.

Ключові слова: ракетно-космічна техніка, камера згоряння, ніобієві сплави, жаростійкі по- криття, дисиліцид молібдену, вакуумно-дугове осадження

Список використаної літератури:

1. Shine S. R., Nidhi S. S. Review on film cooling of liquid rocket engines. Propulsion and Power Research. 2018. Vol. 7, Iss. 1. P. 1–18. https://doi.org/10.1016/j.jppr.2018.01.004
2. Henderson S., Stechman C., Wierenga K., Miller S., Liou L., Alexander L., Dankanich J. Performance Results for the Advanced Materials Bipropellant Rocket (AMBR) Engine. 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit (25–28 July, 2010, Nashville, TN, USA). Nashville, 2010. Art. 2010-6883. https://doi.org/10.2514/6.2010-6883
3 Zmii V. I., Rudenkii S. G. Reaktsyonnoaktivirovannaia diff uziia i vakuumnyie pokrytiia : monografi ia. Kharkov : NNTs KhFTI, 2010. 158 s.
4. Tabaru T., Kim J.-H., Shobu K., Sakamoto M., Hirai H., Hanada S. Development of Mo-(Si,Al)2-base Oxidation-Resistant Coating on Nb-base Structural Materials. Metallurgical and Materials transactions. A. 2005. Vol. 36, Iss. 3. Р. 617–626. https://doi.org/10.1007/s11661-005-0177-1
5. Liu Y., Kramer M. J., Thom A. J., Akinc M. Oxidation behavior of multiphase Nb-Mo-Si-Bintermetallics. Metallurgical and Materials transactions. A. 2005. Vol. 36, Iss. 3. Р. 601–607. https://doi.org/10.1007/s11661-005-0175-3
6. Wang X., Xing K., Li Q., Yang T. Oxidation behavior and interfacial microstructure evolution of MoSi2/MoB coatings on Mo substrate at 600 and 1 400°C. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2023. Vol. 113. Art. 106189. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2023.106189
7. Litovchenko S. V., Beresnev V. M., Drobyshevskaia A. A., Turbin P. V. Silitsydnyie pokrytiia na molibdene: polucheniie, struktura, svojstva. Fizychna inzheneriia poverhni. 2012. T. 10, № 2. S. 110–137.
8. Харченко С. Д., Ковтун С. І. Жаростійкі покриття та перспективи їх використання для подовження ресурсу енергетичного обладнання (огляд). Теплофізика та теплоенергетика. 2021. Т. 43, № 3. С. 78–84. https://doi.org/10.31472/ttpe.3.2021.10
9. Astapov A. N., Terentieva V. S. Review of Home-Grown Technologies in the Field of Protection of Carbon-bearing Materials from Gaseous Corrosion and Erosion in Plasma’s High-Speed Flow. Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya I Funktsional’nye Pokrytiya. 2014. № 4. Р. 50–70. https://doi.org/10.17073/1997-308x-2014-4-50-70
10. Yang W., Zhang Y., Lei S., Mo Q., Ling K., Lv X., Zhao X., Li W. Formation and hot corrosion behavior of MoSi2/NbSi2 composite coating on Nb-based alloys by combined electrodeposition and HAPC processes. Journal of Alloys and Compounds. 2021. Vol. 887. Art. 161365. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.161365
11. Szajna E., Moskal G., Stryczniewicz W., Kozłowska A., Leśniewska-Matys K., Malinowska A., Tomaszewska A., Trzcionka-Szajna A., Mikuśkiewicz M., Szymański K.Microstructure and high-temperature oxidation behavior of MoSi2 protective coatings on Mobased combustion chamber in rocket engines. Surface and Coatings Technology. 2023. Vol. 473. Art. 129896. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2023.129896
12. Zhu L., Wang X., Ren X., Zhang P., Feng P. Recycling MoSi2 heating elements for preparing oxidation resistant multilayered coatings. Journal of European Ceramic Society. 2022. Vol. 42, Iss. 3. Р. 921–934. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.11.031
13. Tsyrlin M. S., Kasaykin A. V., Plavnik G. M., Vechkanov V. N. Vliianiie palladiia na formirovaniie i zashchitnyie svoistva molibdenkremniievykh pokrytii na niobii. Poroshkovaia metallurgiia. 1982. № 1. S. 26–32.
14. Литовченко С. В., Нечипоренко Є. П., Чишкала В. А. та ін. Дослідження особливостей фазоутворення в системі кремній-молібден. ВАНТ. Серія: Вакуум, чисті метали, надпровідники. 1998. Вип. № 6(7), 7(8). С. 239–241.
15. Movchan B. A., Malashenko I. S. Zharostoikiie pokrytiia, osazhdaiemyie v vakuume : monografi ia. Kiiev : Naukova dumka, 1983.232 s.
16. Zelikman G. A. Tonkiie plenki silitsydov tugoplavkikh metallov. TsNII Elektronika, 1986. Ch. 1. Svoistva i metody obrazovaniia plenok silitsydov. 55 s. (Obzory po electronnoi tekhnike. Seriia 2. Poluprovodnikovyie pribory. Vypusk 1 (1178)).
17. Shtinov Ye. D., Glebovskii V. G., Motuzenko V. P. Polucheniie tonkikh plenok silitsydov tugoplavkikh metallov raspyleniiem litykh kompozitnykh mishenei. Perspektivnyie materialy. 2008. № 1. S. 74–78.
18. Васильєв В. В., Лучанінов О. А., Решетняк О. М., Стрельницький В. Є., Толмачова Г. М., Прибитков Г. А., Гурських А. В., Криницин М. Г. Застосування порошкових катодів для осадження покриттів Ti-Si-Nі3 фільтрованої вакуумно-дугової плазми. Фізична інженерія поверхні. 2015. Т. 13, № 2. С. 78–83.
19. Li L., Guo X., Qiao Y. Formation and oxidation resistance of MoSi2 coating for Nb-Si based alloy prepared by slurry sintering method. Journal of Alloys and Compounds. 2023. Vol. 938. Art.168456. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.168456
20. Borisenko A. I., Khashkovskii S. V. Zashchita izdelii iz niobiievykh splavov ot vysokotemperaturnoi gazovoi korrozii. 1986. 40 s.
21. Дзядикевич Ю., Кицкай Л. Композиційне покриття для захисту ніобію і танталу від окиснення. Вісник Тернопільського державного технічного університету. 2005.Т. 10, № 3. С. 45–50. URL: http://elartu.tntu.edu.ua/handle/lib/41573
22. Хімічна корозія та захист металів : навч. посіб. / П. І. Стоєв, С. В. Литовченко, І. О. Гірка, В. Т. Грицина. Харків : ХНУ ім. В. Н. Каразіна, 2020. 216 с.
23. Okovityi V. A., Panteleienko F. I., Okovityi V. V., Astashynskii V. M. Optimizatsiia protsessa naneseniia pokrytii iz poroshkov metallokeramiki metodom plazmennogo napyleniia na vozdukhe. Nauka i tekhnika. 2021. T. 20, № 5. S. 369–374. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2021-20-5-369-374
24. Meghwal A., Anupam A., Murty B. S., Berndt C. C., Kottada R. S., Ang A. S. M. Thermal spray high-entropy alloy coatings: a review. Journal of Thermal Spray Technology. 2020. Vol. 29, Iss. 5. P. 857–893. https://doi.org/10.1007/s11666-020-01047-0
25. Lei S., Liu J., Liu D., Zhang K., Yang R., Yan Z., Zhang X., Li W. Diff usion barrier eff ect of Ta or TaSi2 layer at the MoSi2/Nbbased alloy interface. Corrosion Science. 2023. Vol. 216. Art. 111090. https://doi.org/10.1016/j.
corsci.2023.111090
26. Ehiasarian A. Р. High-power impulse magnetron sputtering and its applications. Pure and Applied Chemistry. 2010. Vol. 82, Iss. 6. Р. 1247–1258. https://doi.org/10.1351/pac-con-09-10-43
27. Азарєнков М. О., Литовченко С. В., Береснєв В. М., Чишкала В. А., Велієв Ю. І. Конденсація силіцидних плівок із чистих компонентів. Питання атомної науки і техніки. 2014. № 1. С. 180–183.
28. Andreiev A. A., Sablev L. P., Grigoriev S. N. Vakuumno-dugovyie pokrytiia. Kharkov : NNTs «KhFTI», 2010. 318 s.
29. Шулаєв В. М., Андрєєв А. А., Столбовий В. О., Прибитков Г. А., Гурських А. В., Коростелева Е. Н., Коржова В. В. Вакуумно-дугове осадження наноструктурних Ti-Si-N покриттів з багатокомпонентної плазми. Фізична інженерія поверхні. 2008. Т. 6, № 1–2, С. 105–113.
30. Dukhopelnikov D. V., Kirillov D. V. Evaporation of polycrystalline silicaaluminium cathode in cathodic arc vacuum discharge. Izvestiya vuzov. Fizika. 2019. Т. 62, № 11. С. 68–74. https://doi.org/10.17223/00213411/62/11/68
31. Ivanov I. A., Slutsky A. G., Scheinert V. A., Ivanov A. I., Bely A. N. Production of target cathodes from composite silicides for applying protective coatings using casting and deformation technologies. Litiyo I Metallurgiya. 2021. № 2. С. 68–75. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2021-2-68-75
32. Arianpour F., Golestanifard F., Rezaie H., Mazaheri M., Celik A., Kara F., Fantozzi G. Processing, phase evaluation and mechanical properties of MoSi2 doped 4TaC–HfC based UHTCs consolidated by spark plasma sintering. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2016. Vol. 56. Р. 1–7. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2015.11.011