Покрытия SiC–HfC: Передовая тепловая защита для углерод-углеродных аэрокосмических конструкций

Почему SiC–HfC?

Как карбид кремния (SiC) так и карбид гафния (HfC) являются сверхвысокотемпературной керамикой с выдающейся стойкостью к окислению и абляции. HfC, с температурой плавления, превышающей 3950 °C, является одним из самых тугоплавких известных материалов. SiC, с другой стороны, при окислении образует самовосстанавливающийся слой диоксида кремния (кремнезема), обеспечивая превосходную химическую стабильность и служа в качестве теплового барьера.

Объединяя эти материалы в многослойную структуру, инженеры могут использовать их взаимодополняющие свойства — стойкость SiC к окислению и сверхвысокотемпературную стойкость HfC.

Применение в аэрокосмической отрасли

Данное композитное покрытие SiC–HfC было успешно применено на высокоскоростных летательных аппаратах на основе УУК, включая поверхности передних кромок, которые подвергаются наиболее интенсивному аэродинамическому нагреву.

К значимым областям применения относятся:

• Передние кромки носовой части: где температуры могут превышать 2000 °C во время входа в атмосферу или полета на высоких числах Маха.
• Горизонтальные стабилизаторы: требующие как термической стабильности, так и структурной жесткости.
• Рулевые поверхности и закрылки: которые выигрывают от снижения окисления и эрозии в течение множества полетных циклов.

Многослойная структура для максимальной производительности

Покрытие обычно состоит из чередующихся слоев SiC и HfC, нанесенных с помощью химического осаждения из газовой фазы (CVD) или плазменных методов.

• слой SiC служит барьером для диффузии кислорода.
• слой HfC выдерживает пиковые тепловые нагрузки.
• межфазная конструкция между CFC и покрытием уменьшает градиенты напряжений, предотвращая образование трещин при термическом расширении.

Недавние исследования и аэрокосмические испытания показали, что эти многослойные покрытия сохраняют структурную целостность после многократного нагрева до температуры выше 2500 °C, что делает их идеальными кандидатами для многоразовых систем тепловой защиты (СТЗ).

За пределами аэрокосмической сферы

Хотя аэрокосмическая отрасль остается наиболее очевидной областью применения, покрытия SiC–HfC также исследуются для ракетных двигателей нового поколения, компонентов гиперзвуковых аэродинамических труб, и высокотемпературных промышленных печей, где как контроль окисления, так и структурная долговечность имеют решающее значение.