Способ получения керамических изделий

 

Изобретение относится к технологии изготовления керамических изделий на основе тугоплавких нитридов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Целью изобретения является получение изделий с низкой пористостью, однородным химическим составом и повышенной прочностью. Способ состоит в том, что приготавливают экзотермическую порошкообразную смесь, содержащую по меньшей мере один компонент из группы: металл III - VIII группы периодической системы элементов, бор, кремний, углерод, а также по меньшей мере одно неорганическое соединение из группы: борид, силицид, нитрид переходных металлов IVБ - VIБ групп; карбид, нитрид, оксид, кремния; нитрид, оксид алюминия; нитрид бора, оксид элемента II - IV группы, из смеси формуют заготовку изделия, которую подвергают термической обработке в режиме горения в среде азотсодержащего газа при регулировании температуры от 2000 до 3000°С и давления от 0,1 до 1000 МПа. Пористость полученных изделий 1 - 10%, прочность 25-40 кг/мм.² 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к изготовлению керамических изделий на основе тугоплавких нитридов СВС-методом и может быть использовано при изготовлении тиглей для плавки и испарения металлов, материалов для облицовки высокотемпературных печей, получения жаропрочных диэлектрических изделий, деталей газотурбинных и дизельных двигателей, а кроме того, может найти применение в изготовлении режущего и абразивного инструмента. Целью изобретения является получение изделий с низкой пористостью, однородным химическим составом и повышенной прочностью. Сущность способа заключается в приготовлении порошкообразной шихты, содержащей по меньшей мере один компонент, выбранный из группы: металл III-VIII группы периодической системы элементов, бор, кремний, углерод и по меньшей мере одно неорганическое соединение из группы: борид, силицид, нитрид переходных металлов IVb-VIb групп, карбид, нитрид, оксид кремния, нитрид, оксид алюминия, нитрид бора, оксид элемента II-IV группы, а термическую обработку проводят при регулируемых в процессе обработки температуре 2000-3000^оС и давлении азотсодержащего газа 0,1-1000 МПа. Вводимые в шихту неорганические соединения повышают степень азотирования исходной шихты заготовки, что в свою очередь приводит к понижению пористости изделия и повышению его физико-механических свойств. При температуре горения выше 3000^оС порошкообразные компоненты реакции сплавляются, прекращается доступ газообразного компонента в зону реакции, результатом этого является недореагирование исходной шихты и низкое качество изделий. При температурах ниже 2000^оС горение идет в нестационарном режиме, что ухудшает качество изделий. Применение давления азотсодержащего газа от 0,1 до 1000 МПа позволяет регулировать количество азота в порах заготовки до прохождения волны горения, а также создавать те или иные режимы фильтрации азота в зону реакции во время прохождения волны горения. Тем самым создается возможность управления процессом горения, что упрощает технологию. Кроме того, в процессе горения могут развиваться температуры, которые превышают температуру диссоциации материала получаемого изделия, поэтому давление азота служит инструментом для подавления диссоциации, а следовательно, для повышения качества изделия. До проведения термообработки сформованную заготовку помещают в порошкообразную смесь, содержащую химически инертный тугоплавкий материал и/или реакционноспособную смесь, а термическую обработку осуществляют путем инициирования горения заготовки или реакционноспособной смеси. Это необходимо для создания равномерного прогрева заготовки во время термической обработки и охлаждения изделия после прохождения волны горения. Это также создает условия (в сочетании с высокими давлениями) для дополнительного спекания после прохождения волны горения, в результате уменьшается пористость изделия. Перед термической обработкой в режиме горения в некоторых случаях (например, когда трудно подобрать порошкообразную смесь, инертную по отношению к помещаемой в нее заготовке или сброс давления не предотвращает разрушения детали от термических напряжений), целесообразно сформованную заготовку подогревать внешним источником тепла до температуры ниже критической температуры теплового взрыва шихты заготовки. Регулирование температуры и давления азотсодержащего газа в процессе термообработки позволяет получить изделия с высокими физико-механическими характеристиками. Конкретные режимы устанавливаются в зависимости от состава шихты, формы изделия и т.п. Регулирование температуры термообработки может быть осуществлено несколькими путями: варьированием температуры внешнего источника тепла; варьированием времени инициирования, скорости горения и состава "химической печки"; варьированием теплосъема с поверхности изделия в процессе термообработки. Регулирование давления во время термообработки может осуществляться следующими способами: изменением давления за счет программированного дросселирования газа через электрический клапан тонкой регулировки, изменением давления за счет изменения соотношений количества газа в реакционном объеме и его средней температуры, для чего предварительно рассчитывается необходимое соотношение между объемом реактора, объемом твердофазного вещества в нем, давлением газа, температурой и скоростью горения. На фиг.1 и 2 даны примеры изменения температур и давлений в ходе естественного режима горения без программированного изменения Р и Т (кривые 0 на фиг.1 и 2) и некоторые примеры заданного изменения этих параметров (кривая 1 на фиг.1 и кривая 2 на фиг.2). Видно, что программируемые режимы определяются большой совокупностью параметров: скоростью начального прогрева (Т_о-Т_к/ Δt_пр), начальной температурой Т_о, несколькими скоростями охлаждения (Т_м-Т_в/ Δt_г, Т_в-Т_к/ Δt_ост² и т.п. ), максимальной температурой горения T_m, различными временными режимами выдержки давления и скоростями изменения давления и др. Естественно, нужна совместимость (одновременность) осуществления P(t) и T(t) режимов. П р и м е р. Для изготовления тигля-испарителя приготавливают шихту из порошкообразных компонентов, мас. алюминий 50, нитрид алюминия (AlN) 48, окись алюминия (Al₂O₃) 1 и оксид иттрия (Y₂O₃) 0,5. Указанные компоненты смешивают в шаровой мельнице. После выгрузки прессуют заготовку в форме тигля диаметром 30 мим и высотой 70 мм. Спрессованную заготовку помещают в графитовый стакан диаметром 55 мм и высотой 100 мм и засыпают смесью нитрида алюминия. Графитовый стакан помещают в реактор, обеспечивающий как регулируемый прогрев заготовки до температур 1000 К, так и до давления Р_о 10 МПа. После этого температура заготовки повышается до Т_о 500 К со скоростью прогрева U_пр= 20 При этом газовое давление в объеме поддерживается постоянным Р Р_с= 10 МПа. По достижении Т Т_о 500 К осуществляют инициирование горения заготовки по всей площади дна цилиндрического стакана. Максимальная температура термообработки Т_m 2000 К и достигается по длине всей заготовки за время 20 с после инициирования. При этом давление газа поддерживается постоянным Р Р_с Р_m 10 МПа дросселированием расширяющегося газа через автоматически регулирующий клапан. После достижения Т Т_m начинает повышаться давление в реакторе со скоростью 30 атм/мин и достигает давление P_m 15 МПа, при этом скорость остывания заготовки не должна превышать = 10 град/с до температуры Т_в 1500 К. При этой температуре и давлении P_m 15 МПа происходит выдержка заготовки в течение Δt_выд 3 мин. После чего идет как медленный сброс давления со скоростью 5 атм/с до P_N2 1 атм, так и температуры с 3 г/с до Т 300 К. После чего изделие извлекают из реактора. Пористость материала, из которого изготовлено изделие, 2 отн. химическая однородность составляет не более 1% предельное напряжение на изгиб при Т1400 К составляет 40 кг/мм² при микротвердости 91 ед. HRA. Другие примеры выполнения способа приводятся в таблице в которой указаны следующие параметры. 1 Т_о(^оС) температура начального подогрева. 2 Т_m(^оС) максимальная температура термообработки, 3 Т_в(^оС) температура выдержки после синтеза, 4 Δ k K_выд время выдержки после синтеза при Т Т_в(К),
5 ΔTk/Δ t_ост скорость охлаждения от Т Т_в до Т Т_к,
6 Р_о исходное газовое давление,
7 Р_с газовое давление в период синтеза,
8 P_m максимальное газовое давление во время термообработки,
9 скорость уменьшения давления газа после термообработки,
10 Р_прес (кг/см²) дополнительная нагрузка прессования в ходе синтеза,
11 Θ конечная пористость образца,
12 ε химическая однородость,
13 σ_изг¹⁴⁰⁰ МПа предел напряжения разрушения на изгиб при Т 1400^оС
14 HRA макротвердость материала. После термообработки в режиме горения, пока еще полученное изделие находится в горячем состоянии, целесообразно дополнительно уплотнять его путем прессования. Это снижает конечную пористость в изделии, что в свою очередь, повышает физико-механические характеристики изделия.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ на основе тугоплавких нитридов, включающий приготовление экзотермической шихты, содержащей по меньшей мере один компонент из группы: металл III VIII группы периодической системы элементов, бор, кремний, углерод, неорганическое соединение, формование заготовки и ее термообработку в режиме горения в азотсодержащей среде, отличающийся тем, что, с целью получения изделий с низкой пористостью, однородным химическим составом и повышенной прочностью, в качестве неорганического соединения используют по меньшей мере одно соединение из группы: борид, силицид, нитрид переходных металлов IVb VIb групп; карбид, нитрид, оксид кремния; нитрид, оксид алюминия; нитрид бора, оксид элемента II IV группы, а термообработку осуществляют при одновременном регулировании в процессе обработки температуры от 2000 до 3000^oС и давления от 0,1 до 1000 МПа. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изделие в горячем состоянии дополнительно уплотняют путем прессования.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8