Введение

Одним из путей развития современного материаловедения является создание подшипников качения  авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) с повышенной работоспособностью, поскольку требования, предъявляемые к материалам подшипников, постоянно растут. Это обусловлено тем, что при высоких скоростях вращения увеличивается действие центробежных сил, что может привести к разрушению внутренних колец вследствие растрескивания и износа, «задира» центрирующих поверхностей, «раскатки» дорожек качения наружного кольца вследствие большого тепловыделения, что приводит к быстрому износу подшипника.

Для снижения центробежных сил от тел качения в перспективных ГДТ целесообразно применение гибридных подшипников качения с телами качения из металлокерамики, керамики либо с пустотелыми телами качения. При этом подшипниковые материалы должны обладать высокой твердостью, высокими прочностными характеристиками и износостойкостью, характеризоваться низкими значениями коэффициента трения, устойчивостью к воздействию агрессивных сред и повышенных температур.

Перспективным в данной области материалом для изготовления тел качения является нитрид кремния, отличающийся пониженной в 2,5 раза плотностью по сравнению с подшипниковой сталью и характеризующийся низкими значениями коэффициента трения.

В связи с этим в данной статье рассматриваются материалы, применимые для создания подшипников авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), показаны преимущества использования керамических материалов по сравнению с традиционными сталями и сплавами, а также перспективность применения керамики на основе нитрида кремния для создания износостойких керамических материалов триботехнического назначения. В статье также рассмотрены методы получения керамических материалов на основе нитрида кремния.

Материалы подшипников

В настоящее время в целях повышения производительности работы авиационных ГТД широко проводятся исследования по применению в конструкции ответственных узлов материалов на основе керамики и керамических композиционных материалов, в том числе высокотемпературных [1–5]. Большая доля исследований направлена на совершенствование подшипниковых материалов, поскольку предъявляемые к ним требования постоянно растут.

Широко применяемыми материалами для производства подшипников авиационных ГТД являются высокоуглеродистые хромистые твердокалящиеся стали, низкоуглеродистые легированные конструкционные стали с поверхностным упрочнением, теплопрочные и коррозионностойкие высокоуглеродистые легированные стали и сплавы. Разрабатываются также новые теплостойкие подшипниковые стали и органопластики для высоконагруженных узлов трения [6–9].

С целью снижения центробежных нагрузок и повышения работоспособности в настоящее время в ведущих странах мира такими компаниями, как SKF (Швеция), GE Aviation (США), Sneсma (Франция) и др., проводятся работы по созданию гибридных подшипников с керамическими телами качения. В России же отсутствует полный цикл производства гибридных подшипников, поскольку отсутствует производство керамических тел качения. Поэтому актуальной является задача анализа керамических материалов, перспективных для изготовления отечественных гибридных подшипников, и методов их получения.

В качестве неметаллических подшипниковых материалов на практике используются керамики на основе карбида кремния SiС, оксидов циркония ZrO₂ или алюминия Al₂O₃ и нитрида кремния Si₃N₄. В табл. 1 приведены свойства некоторых керамических материалов, применяемых в производстве подшипников в сравнении со сталью [10, 11].

Таблица 1

Свойства керамических подшипниковых материалов

* ГП – горячее прессование.

Однако наибольший интерес представляют материалы на основе Si₃N₄, поскольку нитрид кремния, помимо высоких эксплуатационных характеристик, является особым типом керамики, обладающим свойством самоусиления (армирование за счет вытянутой формы кристаллов). В 1960–1970 гг. компания Marlin Rockwell Corp. (MRC) группы SKF разработала первые керамические подшипники. Гибридный подшипник с разрезным внутренним кольцом был изготовлен MRC для программы испытаний, финансировавшейся правительством США. В 1984 г. группой SKF была продемонстрирована длительная эксплуатация нитрида кремния в подшипнике с использованием пластичной смазки при температурах ˃500°C [12]. В настоящее время из нитрида кремния изготавливают шарики и ролики подшипников, а иногда и цельные подшипники. На втором этапе выполнения программы IHPTET фирма Pratt&Whitney (PW) создала и провела испытания газогенератора XTC 66/1, в составе которого применены гибридные керамические подшипники из нитрида кремния. Аналогичные подшипники с ресурсом не менее 4000 ч используются и в двигателе F 136, являющемся альтернативным двигателем для самолетов JSF [13].

Нитрид кремния

Нитрид кремния представляет собой соединение, химический состав которого выражается формулой Si₃N₄ – единственное химическое соединение, образуемое кремнием с азотом. Существует две модификации нитрида кремния: α (тригональная сингония) и β (гексагональная). Основным элементом структуры является тетраэдр [SiN₄]. Структурно α- и β-модификации отличаются расположением тетраэдров вдоль оси с (см. рисунок). При 293 К более стабильной фазой является β-Si₃N₄. Переход α→β является необратимым (монотропным). Данный переход активно осуществляется при перекристаллизации, т. е. путем растворения – кристаллизации в присутствии жидкой фазы. В противном случае переход протекает лишь в условиях довольно высоких давлений и температур.

Нитрид кремния – как тугоплавкое соединение с преимущественно ковалентным типом связи – характеризуется низкими плотностью и температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), высокими значениями характеристик упругости, твердости и жаростойкости. Вследствие этого материалы на основе нитрида кремния особенно перспективны для высокотемпературного конструкционного применения.

Природные запасы нитрида кремния весьма скудны: минерал ниерит встречается в виде включений в метеоритах [14], поэтому в качестве сырья для производства нитридокремниевых керамик используются синтетические порошки Si₃N₄.

Структура нитрида кремния:

a – тройка из тетраэдров SiN₄; б, в – схема расположения тетраэдров вдоль оси c в α- и
β-фазах; г – элементарная ячейка β-Si₃N₄ [15]

Впервые нитрид кремния был получен в 1844 г. В. Бальменом в результате нагрева элементарного кремния в среде азота, выделяющегося при разложении цианистого калия. В то время появлялись работы, посвященные нитриду кремния как перспективному удобрению для повышения урожайности в сельском хозяйстве. Однако из-за своей термической и химической стабильности нитрид кремния так и не стал эффективным удобрением.

Среди методов синтеза порошков нитрида кремния наиболее экономически выгодным считается процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Еще одно достоинство метода СВС заключается в том, что при использовании чистого исходного сырья можно получить порошок нитрида кремния с низким содержанием в нем примесей – в частности, кислорода. Метод СВС реализует прямой синтез компонентов по реакциям:

3Si+2N₂→Si₃N₄;

3Si+4NH₃→Si₃N₄+6H₂.

Карботермическое восстановление оксида кремния в среде азота по реакции

3SiO₂+6C+2N₂→Si₃N₄+6CO

позволяет использовать недефицитное сырье и даже отходы, однако получаемые порошки содержат большое количество примесей и требуют очистки травлением в кислотах.

Представляют интерес ультрадисперсные порошки нитрида кремния с размером частиц ˂100 нм, получаемые методом газофазного синтеза. Суть данного метода заключается в осуществлении реакции между парами тетрахлорида кремния или силана, а также их производных с аммиаком при плазмохимическом или лазерном нагреве:

3SiCl₄+16NH₃→Si₃N₄+12NH₄Cl;

3SiH₄+4NH₃→Si₃N₄+12H₂.

Способы получения и свойства керамических материалов

на основе нитрида кремния

Ввиду ковалентного характера связей нитрид кремния обладает высокой температурой хрупко-вязкого перехода и низкой диффузионной подвижностью. В связи с этим получение нитридокремниевых материалов с относительной плотностью ˃85% даже при высоких температурах спекания достаточно затруднительно. Для интенсификации спекания порошков Si₃N₄ в них вводят оксидные спекающие добавки [14–20]: Y₂O₃, Al₂O₃, MgO, CeO₂, La₂O₃ и др., а также их композиции. Принцип их действия заключается в образовании жидкой фазы при взаимодействии с SiO₂ и оксинитридами, присутствующими на поверхности частиц Si₃N₄. Подробно механизм жидкофазного спекания нитрида кремния с оксидными спекающими добавками изучен в работе [20]. Помимо оксидных возможно применение нитридных спекающих добавок, таких как AlN, YN, ZrN и др. При выборе количества спекающих добавок надо принимать во внимание, что для сохранения высоких механических характеристик при высоких температурах необходимо минимизировать количество спекающих добавок. Однако при этом могут возникать трудности в достижении высокой относительной плотности спеченных материалов.

Основными методами получения керамических материалов на основе нитрида кремния являются:

– горячее литье термопластичных шликеров;

– литье водных шликеров в пористые формы;

– мундштучное прессование;

– реакционное спекание;

– горячее прессование в графитовых пресс-формах;

– горячее изостатическое прессование в эластичных формах;

– плазменное распыление кремния на стальные формы с солевым покрытием с последующим азотированием [21].

Горячее литье термопластичных шликеров позволяет получать изделия сложных конфигураций. Шликер представляет собой дисперсную систему, состоящую из порошка твердого материала (дисперсная фаза) и технологической связки (дисперсионная среда). В качестве основы термопластичных связок при горячем литье обычно используют парафин благодаря его низкой температуре плавления, достаточной механической прочности в твердом состоянии, химической инертности.

Основным методом изготовления полуфабрикатов в технологии горячего литья является литье под давлением, осуществляемое путем заполнения металлической формы расплавленным шликером с охлаждением его в форме под давлением до полного затвердевания.

Отформованные полуфабрикаты затем подвергаются реакционному или обычному спеканию. Такие материалы характеризуются низкими значениями плотности (80–85% от теоретической).

Литье водных шликеров в пористые формы применяют для получения тонкостенных изделий сложной формы с внутренними полостями.

Мундштучное прессование позволяет получать вытянутые изделия из нитрида кремния, такие как прутки, трубки, полосы. Метод заключается в выдавливании смеси порошка с пластификатором через мундштук (фильеру).

Получать керамику из нитрида кремния с плотностью, близкой к теоретической, и прочностью более 600–700 МПа стало возможным с появлением метода горячего прессования. Однако данный метод требует применения высоких значений температур и давления, а также не позволяет получать изделия сложной формы.

Наряду с методом горячего прессования для спекания порошков на основе нитрида кремния применяют метод горячего изостатического прессования, позволяющий получать изделия сложной формы и без использования спекающих добавок. Данный метод заключается во всестороннем сжатии изделия инертными газами, выполняющими роль рабочей среды, и одновременном нагреве. Для получения изделий сложной геометрической формы используют гибкую форму, передающую давление газа на изделие, которое предварительно спекают или прессуют в среде азота до необходимой степени. Для реализации данного метода, однако, необходимо применение повышенных температур и давлений.

В табл. 2 представлены свойства керамических материалов на основе нитрида кремния, полученных разными способами, показаны преимущества и недостатки каждого метода. Видно, что для получения материалов с относительной плотностью, близкой к 100%, требуется применение методов, предусматривающих приложение давления, а также введение спекающих добавок.

Если рассматривать вопрос получения керамических тел вращения, то наиболее подходящими для этого являются методы горячего шликерного литья под давлением с последующим спеканием или горячее изостатическое прессование.

Таблица 2

Свойства керамических материалов на основе нитрида кремния

Материалы на основе нитрида кремния с сухими смазками

В подшипниках, работающих при высоких температурах (например, в ГТД с высоким коэффициентом полезного действия, где частота вращения вала превышает30 000 об/мин), часто неэффективно применение жидких смазок, максимальная рабочая температура которых составляет ~350°С. При высоких температурах также невозможно применение технологии газовой смазки. В этом случае достаточно перспективно использование материалов, в состав которых введены компоненты, выступающие в роли твердой смазки. Композиционные материалы, содержащие твердые смазки, могут иметь полимерную, металлическую, интерметаллидную или керамическую матрицу. Однако для наиболее высокотемпературного применения целесообразно использовать керамическую матрицу – например, на основе Si₃N₄ [22, 23].

Для снижения трения и уменьшения износа в условиях сухого трения, в нитридокремниевую керамику вводят графит, содержащий NiCl₂, гексагональный нитрид бора h-BN, частицы серебра Ag, меди Cu, а также нитрид титана TiN [24–28].

Заключения

Анализ научно-технической литературы показал, что вопрос создания отечественных гибридных подшипников авиационных ГТД в настоящее время остается открытым, поэтому проведение работ в данной области является актуальным.

Показано также, что наиболее перспективным материалом для создания керамических тел качения гибридных подшипников является нитрид кремния с возможным применением сухих смазок в своем составе.