МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ РОЗРОБКИ РАЦІОНАЛЬНИХ ФУНКЦІОНАЛЬНО АКТИВНИХ ШИХТ ПРИ ХРОМУВАННІ ВУГЛЕЦЬ-ВУГЛЕЦЕВИХ МАТЕРІАЛІВ

Автор(и)

  • Д.Б. Середа Дніпровський державний технічний університет, м. Кам’янське, Україна https://orcid.org/0000-0003-4353-1365
  • А.М. Удод Дніпровський державний технічний університет, м. Кам’янське, Україна

DOI:

https://doi.org/10.31319/2519-8106.1(52)2025.330538

Ключові слова:

захисні покриття, вуглець-вуглецеві композиційні матеріали, жаростійкість, синтез, оптимізація, хіміко-термічна обробка

Анотація

Наше наукове дослідження зосереджено на розробці ефективних захисних покриттів для вуглець-вуглецевих композиційних матеріалів (ВВКМ), що функціонують в умовах екстремального теплового навантаження. У роботі застосовано функціонально активні шихти (ФАШ), які формуються за нестаціонарних температурних режимів, з метою отримання покриттів із підвищеними експлуатаційними характеристиками. Основна мета полягає в розробці та оптимізації складу порошкових композицій, легованих титаном, що сприяють підвищенню жаростійкості функціональних поверхонь ВВКМ. У межах дослідження було здійснено комплексний аналіз існуючих технологій нанесення захисних покриттів, зокрема хіміко-термічних методів та методів насичення з рідкої фази. Розглянуто їхню ефективність з урахуванням специфіки взаємодії з вуглецевою матрицею та змін у механічних властивостях матеріалу. Особливу увагу приділено вивченню альтернативного методу — насичення поверхні в твердофазному стані в присутності активного газового середовища, що реалізується за допомогою ФАШ, сформованих за умов нестаціонарного термічного впливу. Значний акцент зроблено на вивченні хіміко-фізичних процесів, зокрема утворення карбідних фаз, які відіграють ключову роль у забезпеченні стійкості покриттів у агресивному високотемпературному середовищі. Експериментальна частина включає постановку факторного експерименту для визначення оптимального складу порошкових сумішей, що забезпечують максимально можливу термостійкість захисного шару. У якості незалежних змінних досліджено концентрації хрому, кремнію, титану та алюмінію, враховуючи їхній вплив на структурно-фазовий стан та фізико-механічні параметри покриттів. Побудовано рівняння регресії для кількісної оцінки залежності жаростійкості від параметрів автоініційованої термічної обробки та складу легуючих компонентів. Результати аналізу представлені у вигляді тривимірних графічних моделей, що ілюструють оптимізацію складу порошкових ФАШ у системах Cr–Al–Ti. За результатами структурно-фазового аналізу встановлено, що при легуванні титаном захисне покриття формується як двозонна система: внутрішній шар представлений фазою карбіду титану (TiC), тоді як зовнішній шар утворюється із сполук типу Al₂Cr₃, CrAl₂ та TiAl, хімічний склад яких визначається варіацією компонентного складу ФАШ.

Посилання

Ashrafiyan, O., Saremi, M., Pakseresht, A., & Ghasali, E. (2018). Oxidation-protective coat-ings for carbon-carbon composites. In Production, Properties, and Applications of High Tem-perature Coatings (pp. 18–35). IGI Global. https://doi.org/10.4018/978-1-5225-4194-3.ch016.

Shi, W., Li, Z., Xu, X., Yu, Y., Ding, X., & Ju, H. (2024). Protective graphite coating for two-dimensional carbon/carbon composites. Fluid Dynamics & Materials Processing, 20(1), 97–108. https://doi.org/10.32604/fdmp.2023.029028

Sereda B., Sereda D., Kryhliyak, I., Kryhliyak, D. Modification of the surface of copper alloys with aluminum in the conditions of self-propagating high- temperature synthesis. Problems of Atomic Science and Technology, 2023, (2), P. 130–133. DOI:10.46813/2023-144-130.

Niu, M., Wang, H., Wen, J., Ma, M., & Fan, X. (2015). Preparation and anti-oxidation proper-ties of Si(O)C coated carbon-bonded carbon fibre composites. RSC Advances, 5(65), 52347–52354. https://doi.org/10.1039/C5RA07550E

Li, C., Li, G., Ouyang, H., & Lu, J. (2019). ZrB2 particles reinforced glass coating for oxida-tion protection of carbon/carbon composites. Journal of Advanced Ceramics, 8(1), 102–111. https://doi.org/10.1007/s40145-018-0298-9

Zmij, V., Rudenkyi, S., & Shepelev, A. (2015). Complex Protective Coatings for Graphite and Carbon-Carbon Composite Materials. Materials Sciences and Applications, 6(10), 879–888. https://doi.org/10.4236/msa.2015.610090

Zmii, V. I. (2013). High-temperature protective coatings on carbon materials. Powder Metal-lurgy and Metal Ceramics, 52, 431–436. https://doi.org/10.1007/s11106-013-9544-4

Voevodin, V.N., Zmyi, V.I., & Rudenky, S.G. (2017). High-temperature heat-resistant coatings for the protection of refractory metals and their alloys (review). Powder Metallurgy, (03(04)), 100-117.

Ashrafiyan O., Saremi M., Pakseresht A., Ghasali E. Oxidation-protective coatings for carbon-carbon composites // Production, Properties, and Applications of High Temperature Coatings. IGI Global, 2018. С. 18–35. DOI: 10.4018/978-1-5225-4194-3.ch016.

Shi W., Li Z., Xu X., Yu Y., Ding X., Ju H. Protective graphite coating for two-dimensional carbon/carbon composites // Fluid Dynamics & Materials Processing. 2024. №. 20, № 1. С. 97–108. DOI: 10.32604/fdmp.2023.029028.

Sereda B., Sereda D., Kryhliyak I., Kryhliyak D. Modification of the surface of copper alloys with aluminum in the conditions of self-propagating high-temperature synthesis // Problems of Atomic Science and Technology. 2023. № 2. С. 130–133. DOI: 10.46813/2023-144-130.

Niu M., Wang H., Wen J., Ma M., Fan X. Preparation and anti-oxidation properties of Si(O)C coated carbon-bonded carbon fibre composites // RSC Advances. 2015. Т. 5, № 65. С. 52347–52354. DOI: 10.1039/C5RA07550E.

Li, C., Li, G., Ouyang, H., Lu, J. ZrB2 particles reinforced glass coating for oxidation protection of carbon/carbon composites // Journal of Advanced Ceramics. 2019. Vol. 8, № 1. С. 102–111. DOI: 10.1007/s40145-018-0298-9.

Zmij V., Rudenkyi S., Shepelev A. Complex protective coatings for graphite and carbon-carbon composite materials // Materials Sciences and Applications. 2015. Т. 6, № 10. С. 879–888. DOI: 10.4236/msa.2015.610090.

Змій В. І. Високотемпературні захисні покриття на вуглецевих матеріалах // Порошкова металургія та металокераміка. – 2013. Т. 52. С. 431–436. DOI: 10.1007/s11106-013-9544-4.

Voevodin V.N., Zmyi V.I., Rudenky S.G. High-temperature heat-resistant coatings for the pro-tection of refractory metals and their alloys (review) // Powder Metallurgy. 2017. №. 03(04). P. 100–117.

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-05-26

Номер

Розділ

Статті