Способ получения материала на основе нитрида кремния

 

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ НИТРИДА КРЕМНИЯ из порошка наоснове кремния путем его высокотемпературного азотирования врежиме горения при давлении 100-1000 бар, отличающийся тем, что, с целью получения изделий, обладающих повышенной высокотемпе{)атурной прочность , готовят смесь порошков, содержащую , мае. %: Кремний44-54 Нитрид кремния 44-55 Углерод1-3 формуют из нее заготовки, азотирование которых осуществляют при 2300- , 2600 К.

(3O O1l

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСИИХ

РЕСПУБЛИН

ЗЯЮ С 04 В 35/58

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

f10 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТЖ (21) 3329049/29-33 (22) 10.08,81 (46) 15.02.84. Бюл, В 6 (72) И.П. Боровинская, В,В. Викулин, В. М. Мартыценко, A.Ã. Мержанов, А.С, Мукасьян В.П. Параносенков, А.Г, Ромашин, В.Н. Рудыкина и A.Ñ. Шаталин (53) 666.79В.2(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 518274 кл. С 04 В 35/58, 1976, 2. American. Ceramica Society Bull, 1978, ч. 57,. В 5, р. 525.

3„ Патент США М 3839541, кл. 423-344, опублик. 1976.

4. Мержанов A.Ã. и Боровинс-. кая И.П. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез в химии и технологии тугоплавких соединений. Журнал Всесоюзного химического общества, 1979, т. 24, 9 3, с.223. (54) (57) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛА

HA ОСНОВЕ НИТРИДА КРЕМНИЯ из порошка на основе кремния путем его высокотемпературного аэотирования в режиме горения при давлении 100-1000 бар, отличающийся тем, что, с целью получения иэделий, обладающих повышенной .высокотемпературной прочностью, готовят смесь порошков, содержащую, мас. В:

Кремний 44-54

Нитрид кремния 44 -55

Углерод 1-3 формуют из нее заготовки, азотирование которых -осуществляют при 23002600 К. е

1073229

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению керамических иэделий иэ реакционно-спечЬнного нитрида кремния, которые обладают высокой термопроводностью, термостойкостью и эро- эионной стойкостью. Эти иэделия применяют в качестве конструкционных элементов, работающих в экстремальных тепловых условиях, например, деталей газотурбинных двигателей.

Известен способ получения реакционно-спеченного нитрида кремния путем азотирования прессованной заготовки иэ порошка кремния в кремний-. содержащей засыпке (порошок нитрида 15 бора и кремния) при 40-60 атм и 20002100 К (1) .

Недостатком этого способа является длительность процесса азотирования и применение энергоемкого печно- 2р го оборудования.

Известен способ получения реакционно-спеченного нитрида кремния путем азотирования заготовок иэ тон- . кодисперсного порошка кремния газо-, образным азотом при 1600 К в течение 120 ч (2).

Недостатком указанного способа является длительность процесса азотирования а также применение энерго ЗО емкого, уникального, дорогостоящего ,технологического оборудования, обус- ловленное использованием высоких температур и давления.

Известен также способ получения 35 керамических изделий на основе нитрида кремния, заключающийся в том, что порошок кремния предварительно смешивают с иитридом кремния (550 мас,Ъ) и с кислородсодержащим со- 4р единением (1,5-2,4 мас.Ъ), затем формуют изделие, которое подвергают азотированию газообразным азотом при 1700 К в течение 4-5 ч (3)

Использование кислородсодержаще- . 45 го соединения загрязняет керамическое изделие окислами, которые ухудшают его высокотемпературную прочность

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения нитрида кремния с содержанием кислорода менее 0,5Ъ путем высокотемпературного азотирования в режиме горения (самораспространяющегося синтеза — СВС) порошка кремния при Р до 4000 К и давлении до 1000 бар 4) .

Данный способ позволяет получать порошок нитрида кремния. с незначительным содержанием кислорода, однако для дальнейшего получения плот- 60 ных горячепрессованных изделий в шихту необходимо вводить кислородные спекающие добавки, что обусловливает падение прочности с ростом температуры.

Цель изобретения — получение изделий, обладающих повышенной высокотемпературной прочностью.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу получения материала на основе нитрида кремния иэ порошка на основе кремния путем его . высокотемпературного азотирования в режиме горения при давлении 1001000 бар, готовят смесь порошков, содержащую, мас. Ъ: кремний 44-54, нитрид кремния 44-55; углерод 1-3, формуют иэ нее заготовки, азотирование которых осуществляют при 23002600 К.

Азотирование в режиме горения (процесс СВС) основано на том, что реакция образования нитрида кремния является экзотермической и протекает со значительным выделением тепла: 5<Й Я+ й2+С Si>Nq<5iC+Q, где Ц - теплота реакции.

Это приводит к тому, что после локального воспламенения смеси фронт горения распространяется по формованному изделию самопроизвольно со скоростью 1 мм/с, температура во фронте горения достигает 2600 К. Таким образом, процесс аэотирования протекает за.2-3 мин.

Увеличение температуры азотнрова. ния свыше 2600 К приводит к увеличению диссоциации нитрида кремния и, следовательно, к уменьшению содержания азота в полученном изделии, что ухудшает его высокотемпературную прочность. Снижение температуры ниже 2100 К не позволяет осуществить

СВС.

Снижение давления ниже 100 бар не обеспечивает необходимую полноту азотирования иэделия. При давлении выше 1000 бар из-за больших теплопотерь не осуществляется СВС.

Введение в исходную смесь углерода связывает свободный кремний, который выплавляется иэ иэделия, так как температура в режиме горения достигает (2600 К) и значительно превышает температуру плавления кремния (1700 К) ..

Введение в исходную смесь углерода менее 1 мас.Ъ приводит к выплавлению свободного кремния из изделия, что ухудшает его физико-механические свойства. A введение углерода в исходную смесь свыше 3 мас.Ъ приводит к сильному газовыделению за счет восстановления углеродом окиси кремния, которая всегда в небольшом количестве присутствует на частицах кремния, и нарушает прочность образца.

Пример. Берут 44 мас.Ъ порошка кремния марки КРО. ГОСТ 216969 с удельной поверхностью 4 м /г, .1073229 4 смешивают с 55 мас.Ъ порошка нитрй- да кремния Ту 20-23-80 с удельной поверхностью 0,3 м2/r и 1 мас.Ъ .углерода в виде сажи марки ПМ-15TC OCT

381531-73 с удельной поверхностью

16 м /г в шаровой мельнице в течение

20 ч. Затем в полученную смесь добавляют пластификатор, состоящий из пчелиного воска и парафина, формуют методом полусухого прессования иэделие, имеющее плотность 1,8 г/см.

После этого иэделие помещают в сушильный шкаф при 600 К и за 8 ч удаляют пластификатор. Затем иэделие . помещают в реактор-СВС на графитовую подложку. Сбоку изделия .насыпают тонкий слой исходной смеси и в контакте с ней размещают вольфрамовую спираль, укрепленную в герметичные электровводы. Далее реактор эакрывают герметичной крышкой, откачивают до давления 10-1 бар и saполняют азотом до давления 100 бар.

Подле этого на вольфрамовую спираль подают электрический импульс (Ц= 3050 В,3 =40-50 А, 3-4 с длительности).

Электрический импульс инициирует в смеси и изделии, реакцию СВС, которая протекает при 2300 С со скоростью

1 мм/с. Процесс. горения длится 2-!

О 3 .мин. После естественного остывания продуктов реакции реактор открывают и извлекают as него изделие as

I реакционно-спеченного нитрида кремния, Режимы синтеза, данные по составу, плотность и прочность, полученного иэделие. представлены в таблице.

Плотность полученного иэделия

2,3 г/см9, 1073229

I

1 о о

I л л.

1

1

I

I

I о о

I л

Д ь (хк охи хyw о а

Э и х

ГЧ

ГЧ

Р(П( »

C) о х х

lD аФ ю а х!

-» ь с

° -» ГЧ . 1

f х х

1 0,+.

1 (» Э х 0, Х х

Г»Ъ Ch с ф (О О»

»"Ъ

CO

Ch!

I

4 о

°, Ю

Й

Э ь »

1 ((:(° (» о

Ю и1

Ю>

»л

Ю

C) 1

I М

1

I Ф 1

1 0

Р)

Э I (» (Х I 0, Х - 1 Э

u (: !

»

}!

Э с

Э

1 Х 1 х

Э ца

Д»((1

1»II Ю I

Р !

I

I

I

1 !

1 о о о о о о о о

Г»Ъ Г 1 Я) Я)

ГЧ ГЧ Ю 1

Ю о

Ю

Ю о

Ю и

III

Ц о а

1 Э

1 л

1 (»

I » 1

1- — — -1

Э

Х 0 1

Ы М !

Ц о

Х и х. C

I Х

1 Х

I 3

I Э а

I М

Ф (» и о о

I

I (I 3

М

1 4 М%ч (gС,) с хох

1 9) аФ

I Хgwм !

»II »М

lO .;ф „,,(.» ХГ

1 (»l а0 (» (Х ХГч

Я

Е о х х х 1 0»X

I

1 о о

Г л

1

f

I

1

1 о о !

» (1

1

1

1

Г Ъ с с.

ГЧ M

I о о о !

» (1

1

I

I

ГЧ

I

I

1 !

1

1 (1

1 !

1

I

1 (I

ОЪ

1073229

Материал, изготовленный из порошка нитрнда кремния, полученного методом СВС, имеет плотность (порис- тость Ф), лежащую в тех ие пределах

2,4-2, 5 .г/см з (25-234) прочность при изгибе 12-16. кг/мм при 293 К и всего

3,2-5 кг/ммпри 1800 K,в то время,как материал, из готовленный данным способом,имеет прочность 16 кг/мы в интерва» ле температур 293-1800 K.

Составитель Н. Соболева .

Редактор Т. Веселова Техред Т.Маточка Корректор С, Шекмар

Заказ 264/21 Тирам 606 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП Патент, r. Уагород, ул. Проектная, 4