Продвинутые керамики: преимущества, вызовы и промышленные применения

Несмотря на медленное массовое принятие, продвинутые керамики и керамические матричные композиты находят применение в ключевых аэрокосмических и военных приложениях.

Сегодняшние керамики прошли очень длинный путь от печей древнего мира. Керамики существуют 24 000 лет. Их применение, однако, продолжает развиваться, особенно для высокопроизводительных военных и коммерческих реактивных двигателей, ракет, космических аппаратов, и в компонентных деталях и других применениях, включая «высокую твердость для броневых и износостойких компонентов или высокую термостойкость для огнеупорных применений», согласно Machine Design.

Будь то структурные керамики или часть керамических матричных композитов, универсальный материал помогает производителям повысить топливную эффективность в турбинных реактивных двигателях, устраняя необходимость в таком большом охлаждении, как в традиционных двигателях. GE Aviation, например, заявляет, что их КМК на две трети легче металла и обладают на 20% более высокой температурной способностью.

«Продвинутые керамики, которые начали появляться после открытия процесса Байера для переработки боксита в 1887 году, обладают превосходными механическими, тепловыми и электронными свойствами по сравнению с традиционными керамиками», — пишут Энтони Викари и Энтони Скиаво из Lux Research в статье для MachineDesign.

Некоторые из крупнейших игроков отрасли обратили внимание на преимущества керамики в аэрокосмическом дизайне. От General Electric до United Technologies, Safran, Boeing и Rolls Royce — более 8000 патентов на аэрокосмический дизайн с керамикой были выданы с начала 1980-х годов, согласно American Machinist.

Продвинутые керамики и керамические матричные композиты: берите хорошее с плохим

Несмотря на преимущества, это не обязательно означает, что керамики — панацея для материалов аэрокосмического дизайна. Как производители также обнаружили, керамики имеют проблемы в обработке и в стоимости.

Керамики набиты избытком теплоизолирующих свойств, делая их эффективным инструментом при сопряжении с высокими температурами внутри авиационных турбин. Они также экстремально легки и некорродируемы, способны выдерживать контакт с авиационным топливом и достигать более высоких скоростей и расширенных территорий в космосе. Но формовка и обработка могут быть медленными и трудоемкими.

«Когда керамики выходят из строя, они делают это внезапно и катастрофически, а не плавно, как металлы», — отмечает Lux Research. «Это не единственное ограничение: структурные керамики имеют экстремально высокую термостойкость, что означает, что они должны обрабатываться медленными и энергозатратными твердотельными методами. Кроме того, высокая твердость после уплотнения делает механическую обработку керамики до формы серьезным вызовом».

Для противодействия катастрофическому отказу используется волокнистая армировка, чтобы помочь контролировать «распространение трещин через матрицу и перенос нагрузок после начала отказа материала», — отмечает Lux Research, что позволяет КМК «отказывать постепенно, более как вязкий отказ металла».

Керамики могут быть трудны в обработке, но не невозможны

Производители знают, что использование керамик в аэрокосмическом дизайне — верный способ снизить вес своих самолетов, используя долговечный материал.

«Те же свойства, что повышают прочность и термостойкость, также делают обработку более сложной», — пишет Дон Грэм, менеджер по образованию и техническим услугам в Seco Tools, в статье для Manufacturing Engineering. Сложность возникает во время финальной обработки или шлифовки, указывает Грэм, где поверхностная целостность керамики нарушается, если резать неправильно. Более того, шанс быть скомпрометированным еще больше увеличивается при высокой интенсивности удаления материала.

«Из-за хрупкой природы, высокой твердости, устойчивости к ползучести и высокой прочности, конвенциональные методы обработки, такие как точение, фрезеровка и сверление, трудно выполнять хорошо на продвинутых керамиках из-за трещин, хрупких разрушений и сколов на режущих краях», — объясняют Александр Горин и М. Мохан Редди в своей работе "Продвинутые керамики: некоторые вызовы и решения в обработке конвенциональными методами".

Сложность обработки керамиками не может быть устранена полностью, но цехи нашли способы смягчить вызовы с правильным выбором инструмента, согласно Грэму. Инструменты с острыми режущими краями и положительными углами наклона снизят режущие усилия, в то время как пластины с мелкозернистыми субстратами отлично подходят для абразивных условий резания.

«Волокнистая армировка в значительной степени преодолела проблемы хрупкости, но обрабатываемость страдает из-за низкой теплопроводности, высокой твердости и абразивности КМК», — пишет Грэм. «Помимо традиционных методов обработки, производители экспериментируют с альтернативными способами обработки деталей из КМК, такими как водоструйная резка, ЭРС, лазерно-ассистированная обработка, шлифовка и использование инструментов с пластинами из PCBN».

Когда керамики обрабатываются неправильно, структура теряет свою прочность

Если деталь из керамики обработана неправильно, прочность самой структуры сильно уменьшится. Когда сэндвич-композитный материал режется с рваными, неровными или деформированными краями, вся структура потеряет значительное количество жесткости.

«Сэндвич-композитный материал, резаный неровно или деформированный, теряет свою прочность, так же как смина коробчатый картон разрушает его жесткость», — пишет Грэм. «Для чистовой обработки цехи должны использовать высокоскоростные концевые фрезы, специально спроектированные для таких сэндвич-композитов».

При обработке керамиками в аэрокосмическом дизайне критически важно избегать любого типа изгиба или растрескивания. Решение, указывает Грэм, — использовать резающий станок с очень острыми краями и высокими скоростями резания.

Керамики дороги, но инновации полезны

С таким акцентом на прочный, эффективный разрез при обработке керамик, неудивительно, что многие цехи известны тем, что вносят до 80% своих общих расходов на поддержание целостности своих керамических структур, согласно работе Горин/Редди. Естественно, это может создать проблему при соблюдении бюджета или попытке выделить средства на другие аспекты работы.

«Проектировщики, желающие воспользоваться превосходными механическими свойствами КМК, должны заплатить за привилегию», — отмечает Lux Research в статье MachineDesign. «Самые дешевые графитовые/углеродно-волокнистые КМК стоят около $30/фунт для простых форм, что резко возрастает с обработкой. КМК с кремнеземной матрицей/кремнеземным волокном для высокотемпературных применений требуют высокочистых волокон, с ценами от $4000/фунт, приводя к ценам преформ более $9000/фунт».

Эксперты отмечают, что принятие керамик было медленным и часто поддерживалось субсидиями и стимулами от госфинансирования, поэтому для реального взлета стоимость должна снизиться. Lux Research указывает, что «технологии, снижающие стоимость промежуточных продуктов, как волокна, могут открыть новые рынки, и продвижения в обработке могут сделать детали из КМК более надежными, облегчая квалификацию».

Обрабатывал ли ваш цех керамики раньше? Если да, какие вызовы столкнулись вы и ваша команда? Дайте нам знать!