ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯБЕСКИСЛОРОДНОЙ КЕРАМИКИ

Развитие современной техники и технологии определяется техническим уровнем таких ключевых отраслей промышленности, как энергетика, двигателестроение, металлургия, металлообработ­ка, электротехника, электроника, химическая технология. Крупные достижения в указанных областях техники оказались возможными благодаря использованию новых материалов.

Широкое применение новых керамических материалов способ­ствует внедрению принципиально новых технологических процес­сов, существенному повышению эксплуатационных параметров ма­шин, агрегатов, устройств по сравнению с показателями, достигну­тыми при использовании традиционных материалов; экономии до­рогостоящего и дефицитного сырья, входящего в составы ранее при­меняемых материалов; экономии топливных ресурсов за счет вне­дрения нового поколения двигателей и энергетических агрегатов с повышенным коэффициентом полезного действия.

Сочетание высокой прочности, износостойкости, твердости с низ­кой плотностью и стабильностью механических свойств в широком ди­апазоне температур открывает перед бескислородной керамикой перс­пективы ее использования в конструкциях, подвергающихся интенсив­ному воздействию стационарных и динамических нагружений при ком­натных и высоких температурах в сочетании с коррозионным и эрози­онным действием газовых потоков, твердых частиц и других агрессив­ных сред. Запасы исходного сырья для производства бескислородной керамики практически неограниченны, а стоимость керамических изде­лий в условиях серийного производства невелика. Поэтому в настоящее время имеются основания для замены различных износостойких и жа­ропрочных металлических сплавов, содержащих такие остродефицит­ные элементы, как вольфрам, молибден, кобальт, никель и др. Примене­ние керамических конструкционных материалов в двигателях взамен указанных металлических сплавов позволит не только обеспечить су­щественную экономию дорогостоящего и дефицитного сырья, но и по­высить такие важные эксплуатационные характеристики, как удельная мощность, КПД, рабочая температура, а также улучшить экологические показатели за счет снижения токсичности продуктов сгорания топлива.

Успехи в области бескислородной керамики на основе SiC, Si₃N₄ и A1N, связанные с возможностями производства таких сложных изделий, как лопатки, роторные и стопорные кольца газовых турбин, пор­шни теплообменных двигателей внутреннего сгорания, роторы агре­гатов турбонадува, подшипники и прочее, позволяют получать мате­риалы с прочностью при изгибе более 1 000 МПа при комнатной тем­пературе, незначительно уменьшающейся при повышении температур до 1 573...1 623 К, при низкой плотности около (3,0...3,5)10³ кг/м³.

В то же время жаропрочные сплавы имеют верхний темпера­турный предел использования не выше 1 423...1 473 К при существен­но более высокой плотности (7,5...8,0)10³ кг/м³. Для керамических конструкционных материалов характерны высокое сопротивление ползучести и размерная стабильность деталей в рабочем интервале температур. Следует отметить, что керамика отличается от метал­лических материалов более высокой хрупкостью. Поэтому при кон­струировании керамических деталей и выборе условий их эксплуа­тации необходимо исключить или свести к минимуму источники концентрации напряжений в материале и обеспечить условия теп­лового и механического нагружения, близкие к стационарным.

Для получения керамических изделий конструкционного назначения применяется как технология ротационного или активированного спека­ния порошковых заготовок, так и техника горячего или горячего изостатического прессования. Горячепрессованные материалы обладают более высоким уровнем механических свойств по сравнению с керами­кой, полученной методами ротационного или активированного спекания.

Для нитридной керамики характерны более высокая прочность и термостойкость, а для карбидной - высокие значения теплопро­водности и модуля упругости. Такие особенности предопределяют основные пути применения этих двух наиболее перспективных ти­пов конструкционной керамики. Так, для камер сгорания газотур­бинных двигателей внутреннего сгорания требуется низкая тепло­проводность в сочетании с повышенной термостойкостью. Данным требованиям отвечают материалы на основе Si₃N₄ и сиалонов. Для различных теплообменных устройств необходимы высокая тепло­проводность и химическая стабильность. Элементы силовой оптики лазеров должны иметь высокую теплопроводность, низкий коэффи­циент теплового расширения и высокий модуль упругости.

Среди неорганических материалов карбид и нитрид кремния являются одними из наиболее универсальных. Изменяя как химичес­кий, так и фазовый состав бескислородной керамики, можно в широ­ких пределах управлять ее определяющими свойствами [23, 31, 49].