Способ получения керамических изделий

 

Изобретение ртноШ|ся к cnofCipeaM полг учения фасбнHiix кЙраМйчеЧ;ких ст 1руктур. Заготовку/металлаi/ii p yrtnw;t faH, Цирконий , гафнИЙ; олово, егг1рованнШ алмэ НИй размещают в i Taikre газОобразн реагентом, Harpi&BeiKJT да тёйперйту|Ш; п вышающей температуру плавления -;1иЈтЈйЧ ла, но(меньшей ;те л е атурй г ;авлеяия продукта его; ёзйиШдейотэия с г ообразнымреагентб и поддерживаютf емпёра уру в это диапазоне в течение времени, достаточного для осуществления реакций и роста продукта взаимодействия в сторону газообразного окислителя с образо ванием самосвязанного керамического тела. При этом заготовка Металла по форме соответствует форме будущего керамического изделия и имеет шаб/гонную с 1чанеСен ным на нее барьерным слоем, проницаемым только(Д газообразного ной, обеспенивакэщёй СйЪя при ал1ьнёйшей Нроце6|сё. Заготбвку ; IQT Ј|д п) достат0чей для размеЦ е1ния расплаёа мё- :;талла эагот0в,кй.гтбсле выгытабления метая- $3, иодДёржйIBfaitoj теS Mггёратуру До : запЬл ёнй); , образовавшейся на мест е заготойкй, ripo ykfом взаимодействия Металла с;газбобразной средой, при этом -6(арье0ный сло 1выполня|Ьт мз гипса и/или валластонйта. В приемной емкости перед установкой металлической заготовки размёйдают otiopy .из материала, испаряю щегося при плавлении металла, или из жаропрочного материала. В качестве газорбразнбй среды испбльзуют кислород или азотсодержащий газ, процесс ведут при 85b -145b°C, а в качестве легирующего алюминий элемента выбирают по крайней мере дваi из группы: Wig, Zn, Si, Sri, Fe...При необходимЬсти модифицирования Поверхностного Слоя между заготовкой и барьерным Слоем рамещают слой наполнителя, инертг ного к продукту взаимодействия металла с газообразной средой, выбранного из группы: оксид, нитрид, карбид или борид. Получают керамические изделия сложной конфигурации. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

„„ ÄÄ 1807981 А3

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ III

К ПАТЕНТУ

1 .: ; ..-: .--":.;: .::-.: 2 (22) 06.01,88 ":: ным на нее барьерным слоем, йройиЦаемым (31) 001129:; ., .:,: только для газообразного реагента, толщи- (32) 07.01.87 -:. - .::;:. ной, обеспечивающей целостность слом при (33) US:;: —:- : .: ..: .. -::: .:::.; дальнейшем "процессе. Заготовку раэреша. (46) 07;04;93, (71) Ланксид Текнолоджи комйани, ЛП (US):: — достаточек для размещения расйлаМ мЬ(72) Йванс Аллен ЛяРош (US) -:.:.:.::: -::::,:-талла заготовки. После выплавления метал, (56) ЕР 0169067, кл. С 04 8.35/65, опубл. ла" .поддерживают температуру до

ЕР 0193292; кл. С 04 B 35/65, опубл. месте заготовки, продуктом взаимодейст.(1976.,::: - :: .:: : :: :::::,- ..:::.::: ..вия металла c газообразной средой. при (ВСКИ)(ИЗДЕЛИЙ:::: .,. .: :-. :.."..--,: - -;:, :..::.:. и/или валластонита. В приемной емкоСти (57) Изобретение относится к сйособам пол- . перед установкой металлической эагОтовки ." учения фасонных керамических структур. " размещают опору и3 материала, испаряюЗаготовку металла из группы." титан..цирко-- :: щегося при плавлейии металла, или из жаний, гафний;,олово, легированный алюми- poftpo÷íîrî материала., 8 . качестве

". ний размеЩают i контакте с газообразным ":: газообразной среды используют кислород, реагентом, йагревают до температуры, пре .- .,, или азотсодержащий газ, процесс ведут при вышающей. температуру плавления:метал- .: 850-1450ОС, а в качестве легирующего алюла, но меньаей температууры плавления . миний элемента выбирают по крайней мере и продукта его взаимодействия с газообраз-.: два иэ группы: Mg,.Zn, Sl, Sn, Fe. Ïðè необным реагентом, и поддерживают температу- ходимости модифицирования поверхностру в этом диапазоне в.течение времени, ного слоя между заготовкой и барьерным

: достаточного для осуществлейия реакции и - . слоем рамещают слой наполнителя, инерт-. роста продукта взаймодействия в сторону . ного к продукту взаимодействйя металла с газообразного окислйтеля с образованием . газообразной средой;-выбранного из групсамосвязанного керамического тела. При пы: оксид, нитрид, карбид или борид. Полатом заготовка металла поформе соответст- учают керамические изделия сложной вует форме будущего керамического иэде- . конфигурации. 5 э.п. ф-лы, 6 ил.

I .структур, имеющих заранее определенную форму или геометрическую конфигурацию.

Цель изобретения — получение изделий сложной конфигурации.

Для этого секцию фасонного исходного

Изобретениеотносится кспособам производства фасонных керамических структур путем выращивания продукта реакции окисления в изложнице. В частности, иэобретенйе относится к новым улучшенным способам изготовления керамических металла покрывают подходящим гаэопро-.

1807981 ницаемым материалом с тем, чтобы получить форму, имеющую фасонную поверхность, которая совпадает с фасонной секцией, Этот материал внутренне связан по крайней мере в зоне упрочнения, которая расположена вблизи фасонной поверхности и коаксиальна с ней. Это дает возможность получить форму, фасон на я поверхность которой сохраняет целостность при условиях процесса, описанных 10 ниже. Форма, исходный металл и приемная емкость ориентированы так, что исходный металл располагается в приемной емкости, при этом вместимость приемной емкости достаточна по крайней мере для размещения всего расплавленного металла в расплавленном виде, Сборку затем нагревают до температуры, которая выше точки плавления исходного металла, но ниже точки плавления продукта реакции окисления и 20 формы, и полученный расплавленный металл отсасывают из формы в приемную емкость беэ повреждения формы, - посредством чегб образуется полая форма..

Нагревание продолжают в присутствии па- 25 рообразного окислителя в указанном температурном диапазоне, затем расплавленный металл реагирует с окислителем, образуя продукт реакции окисления. f1o крайней мере часть продукта реакции окисления удер- З0 живается в контакте и - между расплавленным металлом и окислителем с тем, чтобы последовательно вытягивать расплавленный металл через продукт реакции окисления в полую форму для контакти- З рования с окислителем. за счет чего продукт реакции окисления продолжает обрабатываться в промежутке между окислителем и ранее образованным продуктом реакции окисления. Реакция продолжается до тех 40 пор, пока выращиваемый или растущий продукт реакции окисления не вступит в контакт с фасонной поверхностью формы, посредством чего формируется керамическая структура, конфигурация которой опре- 45 деляется формой полой емкости. По завершении этапов керамическую структуру извлекают из формы.

8 другом варианте настоящего изобретения по крайней мере часть проницаемого 50 металла,.использованного для формирования фасонной поверхности, содержит материал барьера. за счет которого ограничивается рост продукта реакции окисления на фасонной поверхности. Далее 5 исходный металл удерживается над приемной емкостью и втекает в нее. например, под.действием гравитации, при этом отлитый металл располагают на подходящем держателе, Может быть использован расплавляемый держатель, расположенный внутри приемной емкости. В ходе нагревания, а также при контактировании расплавленного исходного металла с расплавляемым держателем, последний испаряется, так что при входе расплавленного металла в приемную емкость расплавляемый держатель заменяется расплавленным металлом. В другом варианте держатель может иметь жаропрочную основу, размеры и конфигурация которой таковы, что она открыта как для потока расплавленного металла из формы в приемную емкость, так и для роста продукта реакции окисления из приемной емкости в полую форму.

"Керамика" не следует понимать как керамическую структуру в традиционном смысле, т.е. целиком состоящую из неметаллических и неорганических материалов, а скорее как структуру, которая является в основном керамической по отношению к любой композиции или по преобладающим свойствам, хотя структура может содержать малое или существенное количество одного или многих металлических составляющих, производных от исходного металла или socстановленных из окислителя или присадки. наиболее часто в интервале 1 — 40 об., но могут содержать и большее количество металла.

"Продукт реакции окисления" означает один или более металла в окисленном состоянии, причем металл отдает электроны или делит их с другим элементом, соединением или их комбинацией, Соответственно, "про-. дукт реакции окисления" по данному определению содержит продукт реакции одного или более металла с окислителем, как это описано в данной заявке..

Газообразный реагент (иногда просто .

"окислитель") означает один или более подходящий акцептор электронов, которые присутствуют в виде газа (пара) при условиях протекания процесса.

"Исходный металл" означает металл, ко- . торый является затравкойдля поликристаллического продукта реакции окисления и содержит относительно чистый металл, имеющийся в продаже металл с примесями и/или легирующими добавками, или сплав, в котором металлическая затравка является преобладающей составляющей; когда упоминается конкретный металл как исходный, например алюминий, то следует иметь в виду металл по этому определению. если иное не оговорено в тексте.

На фиг. 1 показан вид промежуточной стадии использования проницаемого материала на фасонном исходном металле; на фиг, 2 — сечение устройства по предпочти180Л81

20

45

55 тельному варианту. включающее фасонный исходный металл, покрытый проницаемым материалом и удерживаемый над приемной емкостью; на фиг. 3-- сечение А-А на фиг. 2; на фиг, 4 — вид, соответствующий фиг. 2, на последней стадии способа; на фиг. 5 — частичный разрез фиг. 2, но другого варианта осуществления настоящего изобретения; на фиг, 6 — сечение фасонной керамической структуры, полученной с использованием устройства по фиг, 4, имеющей внутренний и наружный сегменты, составляющие матрицу, помещенную в наполнитель.

На фиг. 1 показан фасонный исходный металл 1, который имеет цилиндрическую форму (но может быть любой другой конфигурации) и кольцевую площадку 2, окружающую его по окружности ближе к краю 3, чем к краю 4. Большая цилиндрической формы поверхность исходного металла 1 обозначена позицией 5. Край 3, цилиндрическая фасонная поверхность 5 и поверхности кольцевой площадки 2 составляют шаблонную секцию фасонного исходного металла

1, край 4 — нешаблонную секцию фасонного исходного металла 1.

На фиг. 1 примерно половина продольной шаблонной секции фасон ного исходного металла 1 покрыта проницаемым подходящим материалом 6, нанесенным на нее, В данном описании и формуле изобретения характеристика материала 6 "проницэемый" означает, что как и держатель 7, установленный на нем и описанный ниже, он является проницаемым для прохождения парообразного окислителя, например воздух. Проницаемый материал 6 наносят до тех пор, пока вся шаблонная секция исходного металла 1 не будет покрыта проницаемым материалом требуемой толщины. а остающаяся на краю 4 нешаблонная секция является непокрытой, Проницаемый материал 6 покрывает или накладывается на шаблонную секцию фасонного исходного металла 1 так, что в материале 6 формируется фасонная поверхность 8 (фиг, 2), которая при удалении исходного металла определяет форму 9 (фиг. 4), полость которой повторяет шаблонную секцию, После покрытия проницаемым материалом 6 всей шаблонной секции (т.е. поверхностей 3, 5 и поверхности кольцевой площадки 2) дают возможность этому материалу затвердеть или в противном случае закаливают его, подвергая такой обработке, как нагревание или обгорание, за счет чего обеспечивается спекание проницаемого материала. Например, проницаемый материал может содержать материал барьера, такой как модельный гипс, включающий горячую составляющую, или смесь такого модельного гипса и силикатэ кальция, которые после затвердевания и нагревания становятся проникновенными для воздуха или газообразного окислителя. Проницаемый материал может также содержать твердый материал наполнителя, перемешанный со связующей, служащей для получения скрепляющего усилия в сыром составе, который накладывается и приклеивается к шаблонной секции и затем затвердевает или спекается, образуя форму 9, показанную на фиг.

2 и 4. Проницаемый материал или по крайней мере его часть. которая формирует зону упрочнения формы 9, показанную на фиг, 2 пунктирной линией 10, является внутренне упрочненным материалом, Следовательно, выше точки плавления исходного металла и испарения его из формы форма или по крайней мере ее зона упрочнения 10, которая определяет фэсонную поверхность 8, сохраняет свою структурную целостность. Всю форма может быть изготовлена из внутренне упрочненного материала или только в случае необходимости из такого материала может быть изготовлена его внутренняя зона. Например, первый слой проницаемого материала, который является внутренней поверхностью формы, делается упрочненным, за ним следует второй или наружный слой проницаемого материала, который не должен быть упрочненным. Как указано в описании и формуле, определение

"внутренне упрочненный" означает, что материал сохраняет единство структуры при нагревании в условиях протекания процесса с тем, чтобы расплавить фасонный исходный металл и извлечь его из формы, и окислении расплавленного металла с тем, чтобы обеспечить рост продукта реакции окисления в ф рме 9 (фиг, 4). Фасонная поверхность 8, следовательно, сохраняетсвою форму и не искривляется, искажается и т,п, при условиях протекания процесса, В других вариантах осуществления настоящего изобретения проницаемый материал 6, работающий как наполнитель, спекается или приобретает форму путем применения подходящего клея или связующего, которые при нагревании до расплавления исходного металла испаряются.

Наполнитель или по крайней мере его часть внутри зоны упрочнения, обозначенной пунктирной линией 10 на фиг, 2, спекается или упрочняется с тем. чтобы обеспечить достаточное склеивающее усилие формы и сохранить целостность фасонной поверхности 8.

Подходящий контейнер, сосуд, емкость, обозначенные позицией 11, включают жа1807981 ропрочный или металлический сосуд 12, внутри которого расположено содержимое контейнера 13, Содержимое контейнера 13 имеет цилиндрическую выемку 14, объем которой достаточен для вмещения всего расплавленного металла, полученного после расплавления фасонного исходного металла 1, Содержимое контейнера 13 содержит материал, который является инертным по отношению к условиям реакции окисления исходного расплавленного металла, Напри. мер, при 1250 С в случае, когда исходным металлом является сплав алюминия и в качестве окислителя используется воздух, материал фирмы "Нортон кампани" — алундум является подходящим материалом для содержимого контейнера. Это означает, что продукт реакции окисления, полученный путем окисления расплавленного исходного металла, не будет проникать в контейнер 13 и реакция окисления не распространяется через контейнер 13. 8ыемка 14 как углубление для расплавленного металла может. быть сделана внутри контейнера 13 путем спекания частиц, содержащихся в контейнере 13, или как показано на фиг. 2, или пу ем установки фасон ного и жаропрочного контейнера 15, такого как трубка из стабилизированной окиси циркония, окиси алюминия и т.п. Контейнер 15 может быть перфорированным по причинам, указанным ниже.

Расплавляемое упрочняющее средство

16 расположено внутри трубчатого контейнера 15 и проходит снизу до верху, как показано на фиг. 2, выемки 14, Как показано на фиг. 3, расплавляемое упрочняющее средство 16, которое может содержать расплавленный органический материал, испаряемый при плавлении фасонного исходного металла, является крестообразным в поперечном сечении, Держатель может быть выполнен любой подходящей конфигурации или может быть твердым блоком. Соедство крепления служит для удерживания веса фасонного исходного металла, когда он и форма расположены на верхней поверхности. как показано на фиг.

2, контейнера 13, при этом фасонный расплавленный металл 1 расположен коаксиально с цилиндрической фасонной выемкой

14. Можно показать, что некоторые упрочнения фасонного исходного металла могут оказаться необходимыми для предотвращения их отрывания от формы под собственным весом, за счет чего повреждается поверхность 8 и попадает в углубление 14.

Это наиболее вероятно, когда форма изготовлена из неупрочненного материала, который не прошел терм обработку при повышенной температуре. B показанных вариантах осуществления настоящего изобретения фасонный исходный металл 1 ориентирован относительно приемной емкости

5 17 так, что он расположен на расплавляемом держателе 16.

Другие средства могут быть использованы для крепления исходного фасонного металла. Например, может быть использо10 ван трубчатый держатель 15, который изготовлен из трубки, толщина стенки которой достаточна для удержания веса исходного фасонного металла и формы. Трубчатый держатель имеет достаточно малый внутрен15 ний диаметр по сравнению с диаметром расплавленного металла, за счет чего исходный металл располагается на краю держателя, в результате металл удерживается и устраняется необходимость использования

20 расплавляемого удерживающего средства

16, Трубчатый держатель будучи жаропрочным является полезным средством крепления, Сборку, показанную на фиг, 2, нагрева25 ют, например, в печи, которая вентилируется для обеспечения доступа воздуха и окислителя, При нагревании сборки до температуры, которая выше точки плавления исходно30 го металла, но .ниже точки плавления продукта реакции окисления, формируемого из этого металла, фасонный исходный металл расплавляется и втекает в углубление или приемную емкость 14, освобождая

35 форму 6, расположенную за фасонной полой формой 9 (фиг. 3). Расплавляемое средство крепления 16 сгорает или испаряется предпочтительно как только расплавленный металл контактирует с держателем, пары

40 проходят через трубчатый держатель 15 в ванну держателя 13 и в атмосферу. Таким образом, расплавленный исходный металл замещает расплавляемый удерживающий материал. Расплавляемый удерживающий

45 материал, который может быть использован в настоящем изобретении, содержит те материалы, которые используются в традиционной технологии литья, Хотя для некоторых предпочтительных вариантов

50 осуществления настоящего изобретения могут быть использованы расплавляемые пластмассы и пенообразные соединения, Наиболее предпочтительными являются полистирол, полиэтилен и полиуретан. исполь55 эуемые в качестве материалов для изготовления расплавляемых держателей.

Расплавляемому держателю может быть придана требуемая конфигурация с помощью процессов инжекционн н о Формования, жидкого формования. экс|п сии, литья.

1807981. машинной обработки и т.п, Инжекционное формование является наиболее приемлемой технологией для изготовления расплавляемых держателей, Жидкое формование может быть предпочтительным в определенных случаях, благодаря тому, что по этой технологии можно изготовить поле расплавляемые держатели. Жидкое формование может быть, в частности, желательно, поскольку оно сводит к минимуму количество расплавляемого металла, необходимое для изготовления данного держателя, посредством чего облегчается испарение выемки 14.

Расплавленный металл, получаемый путем расплавления исходного металла 1, может заполнять полностью или частично выемку 13. B ходе этой фазы плавления может оказаться желательным превратить окисление расплавленного металла внутри формы. В этом случае в печи должна быть создана инертная или неокисляющая (при рабочих условиях) атмосфера, так как аргоновэя или азотная, В другом варианте форма может быть помещена внутри съемного проницаемого контейнера из нержавеющей стали, свободно установленного внутри формы. При наличии расплавленного металла внутри выемки 14 происходит окисление расплавленного исходного металла (при окислительной атмосфере) возникает рост продукта реакцииокисления из расплавленного металла, содержащегося внутри выемки 14, по направлению кверху в полость формы 9. Нагревание исходного металла, например алюминия, в присутствии парообразного окислителя; например воздуха, до определенной температуры выше точки плавления исходного металла, но ниже точки плавления продукта реакции окисления .. вызывает реакцию расплавленного металла с парообразным окислителем и образование продукта реакции окисления. Образование этого продукта происходит на верху массы расплавленного металла внутри при. емйой емкости 11, B соответствии с этим продукт реакции окисления удерживается в контакте и между массой расплавленного исходного металла, под ним и парообразным окислителем, над ним, за счет чего обеспечивается вытягивание расплавленного металла из массы расплавленного металла через продукт реакции окисления в

: полость формы 9. Следовательно, продукт реакции окисления продолжает формироваться в промежутке между парообразным

Окислителем и ранее образованным продуктом реакции окисления. На фиг. 4 показано проникновение парообразного окислителя через проницаемую форму 6 и соприкосновение с поверхностью растущего продукта реакции окисления 18, Таким образом происходит непрерывное образование дополнительного продукта реакции окисления на промежуточной поверхности 19, между парообразным окислителем и ранее образо- ванным продуктом реакции окисления 18.

Более ранние стадии роста продукта реакции окисления 18 показаны пунктирными линиями 19а, 19d и 19с. Масса расплавлен10 ного исходного металла расходуется за счет формирования продукта реакции окисления и становится полой в центре, как показано пунктирными линиями 20 на фиг. 4. Расплавленный. металл продолжает вытягиваться вверх вдоль боковых сторон выемки

14 и проходит через продукт реакции окисления 18 промежуточной поверхности 19, по мере того как поддерживаются условия про20 текания реакции и до тех пор. пока полость формы 9 не заполнится продуктом реакции окисления. Форма 9 может быть изготовлена из жесткого материала, благодаря чему фасонная поверхность 8 препятствует даль25 нейшему росту продукта реакции окисления; за счет чего конфигурация керамической структуры, содержащей продукт реакции окисления, определяется конфигурацией фасонной поверхности.

Барьеры могут быть использованы в качестве проницаемого материала с целью предотвращения роста или предотвращения развития роста продукта реакции окисления на фасонной поверхности, определяющей полость формы. Этот барьер

35 облегчает формирование керамической структуры с границами, определяемыми полостью формы3ддходящими барьерами могут быть любые материалы, соединения, условиях протекания процесса по настоящему изобретению сохраняют свою целостность, не теряют форму и являются проницаемыми для парообразного окислителя, тогда как они способны локально препятствовать, ограничивать, предотвращать и т,п. рост продукта реакции окисления, Подходящими материалами барьеров при использовании, например, в качестве ис45

50 ходного металла алюминия и воздуха — в качестве окислителя являются сульфат кальция (модельный гипс), силикат кальция и портландский цемент или их смесь. Эти материалы содержат также подходящие или горючие материалы, которые исчезают или испаряются, или материалы, которые разлагаются при нагревании, обеспечивая увеличение пористости и проницаемости барьера для парообразного окислителя. Более того материалы барьера могут содержать подхо40 элементы, композиции и т.п., которые при

1807981

12 дящие жаропрочные частицы, служащие для уменьшения разломов и растрескиваний, которые в противном случае могут возникать в ходе процесса нагревания, В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения материал барбера содержит смесь сульфата кальция, т.е. модельного гипса, и портландского цемента или силиката кальция. Портландский цемент или силикат кальция могут быть смешаны с модельным гипсом в соотношении 10:1-1:10, предпочтительное соотношение портландского цемента и модельного гипса составляет 1:3, а силиката кальция к модельному гипсу — примерно 1 1. При желании портладский цемент может быть использован один в качестве материала барьера.

Другим предпочтительным вариантом при использовании в качестве исходного металла алюминия является модельный гипс, перемешанный с окисью кремния, предпочтительно в стехиометрическом соотношении, но может быть некоторое превышение модельного гипса, В ходе процесса модельный гипс и окись кремния реагируют друг с другом, образуя силикат кальция, который является хорошим барьером, свободным от трещин, В другом варианте модельный гипс перемешивают примерно с 25-40% по весу карбоната кальция. При нагревании карбонат кальция разлагается, образуя диоксид углерода, посредством чего улучшается пористость и, следовательно, проницаемость материала барьера.

При желании количество расплавленного исходного металла внутри выемки 14 может быть выполнено из резервуара расплавленного металла, например, с использованием трубки, проходящей из контейнера 13 и присоединенной к отверстию держателя 15 для перетекания дополнительного расплавленного исходного металла в выемку 14. Дополнительная подача расплавленного исходного металла в выемку 14 может в некоторых случаях ускорить рост продукта реакции окисления, а также облегчить удерживание продукта реакции окисления 18 в полости формы 9. Однако, когда такая технология пополнения исходного металла не применяется. продукт реакции окисления 18 будет стремиться остаться в полости формы 9, поскольку его рост до контактирования с фасонной поверхностью

8 дает "плотную подгонку", даже когда поверхность 8 содержит материал барьера.

Более того, конфигурация полости формы 9, подобная кольцевой форме, соответствую55

50 щей площадке 2 фасонного исходного металла 1 (фиг. 1), будет способствовать механическому удерживанию продукта реакции окисления 18 на месте.

Когда в результате роста продукт реакции окисления 18 целиком заполнит полость формы 9, сборку охлаждают и полученную керамическую структуру, которая ограничена фасонной поверхностью 8 полой формы

9, извлекают путем разламывания и удаления формы 6. Результирующая керамическая структура будет иметь форму, аналогичную форме исходного металла 1, показанной на фиг, 1, Керамическая структура может быть рассечена или обработана механически вдоль поверхности 4 фасонного исходного металла с тем, чтобы удалить все прилипшие остатки исходного металла или любые наплывы или нежелательные выступы продукта реакции окисления

Результирующая керамическая структура содержит поликристаллический продукт реакции окисления и может иметь промежуточные или изолированные металлические вкрапления. включая, например, неокисленные частицы исходного металла. Она может содер>кать также некоторые поры или полости, .Существенным преимуществом настоящего изобретения является то, что фасонный исходный металл может быть изготовлен любым подходящим способом.

Например, кусок металла, такой как стер-. жень — отливка, брусок, могут быть обработаны механически или отлиты, выдавлены или им может быть придана требуемая кон- фигурация иным способом. На него могут быть нанесены канавки, углубления, впадины, площадки, фланцы, выступы, резьба и т.п, и/или к нему могут быть прикреплены кольца, втулки, диски. стержни и т.п., обеспечивающие получение требуемой формы.

Можно показать, что много легче изготовить таким образом сложное изделие, чем изготавливать его путем 1 еханической обработки целикового керамического иэделия, в особенности, когда оно имеет сложную форму.

На фиг. 5 показан д1>угой вариант осуществления настоящего изобретения, по которому имеется контейнер 11, аналогичный контейнеру фиг. 2, и в котором форма 19 содержит внутреннюю секцию 20 и наружную секцию 21. Внутренняя секция 20 сделана из первого проницаемого материала, нанесенного на фасонный исходные металл

1, для получения фасонной поверхности 21 формы 19. Внутренняя секция 20 содержит подходящий наполнитель, перемешанный с подходящим клеем или связующим вещест13

1807981

30

40

55 вом, которые обеспечивают использование отожженного наполнителя с исходным фасонным металлом. Когда внутренняя поверхность 20 закалена или упрочнена, на нее наносят второй слой проницаемого подходящего материала, формируя наружную секцию 21, которая может содержать, например, смесь модельного гипса и силиката кальция и, следовательно, моЖет служить в качестве материала барьера. Как спекшийся наполнитель с внутренней секцией 20, так и материал барьера с наружной секцией 21 являются проницаемыми и пропускают через себя парообразный окислитель. Наполнитель нэ внутренней поверхности 20 или по крайней мере его зона упрочнения, соответствующая зоне упрочнения, показанной пунктирной линией 10 на фиг, 2, является внутренне связанным, за счет чего после нагревания и потери или испарения связующей частицы наполнителя охлаждаются связанными, сохраняя достаточное сцепление, необходимое для поддержания целостности фасонной поверхности 22 при расплавлении исходного металла и перетекании его в приемную емкость.

При росте продукта реакции окисления способом, аналогичным способу, показанному на фиг. 4, растущий продукт реакции окисления будет пропитывать и заполнять наполнитель внутренней секции 20 и будет вырастать до внутренней поверхности 23 наружной секции 21, Рость поликристаллического материала, возникающего из продукта реакции окисления, может происходить в направлении и внутрь проницаемой массы материалы нэполнителя, который пропитывается и заполняется растущим поликристиллическим материалом, рбразующим композитную керамическую структуру, Наполнитель может сбдержать различные жаропрочные и/или пожаропрочные гранулы, нити или другие материалы, включая керамические наполнители. Образовавшиеся композитные материалы содержат плотную основу керамического поликристаллического продукта реакции окисления,. заполняющего наполнитель. Наполнитель содержит свободную или связанную сетку или структуру материала, которая имеет стыки, промежутки, отверстия и т,п.; которые обеспечивают ее проницаемость для парообразного окислителя и для роста через нее продукта реакции окисления. Внутренняя поверхность 23 барьера нэ наружной секции 21 предотвращает дальнейший рост продукта реакции окисления, после завершения роста и охлаждения сборки керамическую структуру

25 восстанавливают путем удаления или разрушения наружной секции 21.

Полученная керамическая структура 24 показана на фиг. 6 и содержит внутренний сегмент 25 и наружный сегмент 26, Внутренний сегмент 25 содержит так называемую

"выросшую в воздухе) керамику. т,е. керамику, выросшую не в наполнителе, а в объеме или пространстве, занимаемом только воздухом или другим парообраэным окислителем. Соответственно, внутренний сегмент

25 не содержит наполнитель. Наружный сегмент 26 содержит керамический композит, т.е. керамический материал, заполняющий наполнитель, который может содержать, например, керамические частицы, нити и т.п.

При желании удлиненную поверхность кольцевой площадки можно сделать эаподлицо или слегка выступающей по отношению к наружной поверхности внутренней секции 20, За счет этого образуется продольная поверхность конечного продукта, обладающая свойствами износостойкости, отличающимися от остальной наружной поверхности, Дополнительные присадочные материалы к исходному металлу могут значительно повлиять или ускорить процесс реакции окисления, Действие присадок определяется различными факторами, которые не зависят от самих присэдок. Такими факторами являются, например, состав исходного металла, требуемого конечного продукта, комбинация присадок, окислительная атмосфера, условия протекания процесса

Например, некоторые присадки для успешной работы требуют наличия других присадок.

Присадка или присадки могут быть выполнены в виде легирующих добавок к исходному металлу или могут быть нанесены на наружную поверхность фасонного исходного металла, предпочтительно в виде частиц или порошка. При наличии наполнителя, работающего как описано применительно к фиг. 5, подходящие присадки могут быть нанесены на наполнитель или перемешаны с ним или подходящий наполнитель может в своем составе содержать присадку. Когда присадка или присадки наносятся на наполнитель, зто выполняется любым известным способом, позволяющим рассеять присадки по части или всему наполнителю в виде покрытия или порошка, предпочтительно наносить присадку по крайней мере на части наполнителя вблизи исходного металла. На наполнитель могут быть нанесены другие присадки в виде слоя одного или нескольких присадочных материалов, включая ceo наружные отверстия, стыки, проходя, проме1807981

15 16 жутки и т,п., которые обеспечивают его про- вес.% от общего веса сплава исходного меницаемость. Удобным способом нанесения талпа. Свинец кэк присадку в основном присадочного материала является вымачи- вплавляют в алюминиевую основу исходнование наполнителя в жидкой среде (напри- ro металла при температуре по крайней мемер, растворе материала присадки). 5 ре 1000 С, учиты вая его слабую

Источником присадки может быть так- растворимость валюминии,однако наличие же жесткая масса присадочного материала, других легирующих добавок, таких как олоконтактирующая с частью материала напол- во, увеличивает растворимость свинца и да.нителя и фасонного исходного металла и ет возможность легировать материал при расположенная между ними. Например. 1Q более низкой температуре, тонкий лист стекла, содержащего окись Другими примерами материаловприсакремния (пригоден в качестве присадки при док, используемых с алюминием в качестве окислении алюминия в качестве исходного . исходного металла, являются натрий, литий, металла), может быть помещен на поверх- кальций, бор., фосфор и иттрий, которые моность фасонного исходного металла и на,15 гут использоваться по отдельности или в него нанесен. газопроницаемый подходя- . комбинации один с другим в зависимости от щий материал в качестве:покрытия, Допоп- окислителя и условий протекания процесса. нительно или йо другому вариайту одна или Натрий и литий могут быть использованы в несколько присадокмогут быть снаружи на- очень малых количествах (обычно 100-200

:несенйна поверхностьфасонного исходно- 20 частей на миллион) и могут использоваться го металла, Кроме того:, присадки, . по отдельностй и вместе или в комбинации вплавленные в исходный металл,.могут быть .: с другими присадками, 8 комбинации с друусилены присадками, нанесенными указан-, гими присадками. могут использоваться и . ными .способами. Следовательно, любая редкоземельййе элементы, такие как церий, концентрация вйлавленных присэдок мо- 25 пантан, празеодиум, неодиум и самарий. жет быть усилена дополнительной концент-, -: Как указано.выше, нет необходимости рацией соответствующей присадки вплавлять каждую присадку в исходный ме- . (присадок) этим альтернативным способом талл. Например, одна или более присадка или наоборот.. -: .,,: ;: может быть нанесена тонким слоем либо на

Присадками исходного металла алюми- 30 всю, либо на часть поверхности исходного ния при его окислении в воздухе могут, в металла ипи соответствующей йоверхности частности, быть магний и цинк, особенно в массы держателя. Такой слой присадочного комбинации сдругими присадками. как опи- материала может быть нанесен кистью, посаво ниже. Зти металлы или источник этих гружением, распылением, испарением или металлов могут быть вплавлены в алюмини- 35 иначе, используя материал присадки в жидевую основу исходного металла в концент- KQM или пастообразном виде, либо разбрыз- . рации 1-10 вес.% относительно общего гиванием, либо просто нанесением .: веса результирующего прйсадочного метал- . твердого слоя присадки, или тойкого листа па, Концентрация любой присадки опреде- или пленки присадки йэ поверхность исходляется такими факторами, как состав 40 ногометалпаилимассыдержателя. Присадприсадоквкомбинациии-температура про- ка может, но не обязательно, содержать цесса. Присадкй в данной концентрации органическое или неорганическое связуюинициируют рост керамики, усиливают про- щее, клей, растворитель и/или упрочнитель, цесс перемещения металла и благоприятно Более желательно использовать материал влияют йа морфологию роста результирую- 45:присадки в виде порошка, наносимого на щего продукта реакции окисления.. - поверхность массы держателя или исходноДругими присадками, которые зффек- го металла с помощью клея или связующего тивны для ускорейия роста поликристалли- вещества, ко орые исчезают в ходе процесческого продукта реакции окисления на са реакции, Одним из предпочтительных основе алюминия в качестве исходного ме- 50 способов нанесения присадок является исталла, являются, например, кремний, герма- пользование жйдкой суспензии присадок в ний, олово и свинец, особенно, когда они смеси воды и органической связующей, расиспользуются в комбинации с магнием и пыляемой на поверхностистем,чтобы Iloflцинком. Один или более этих материалов учить прочное покрытие, которое или подходящий их источник вплавляют в 55 сохраняется при обработке фасонного меисходный металл алюминий в концентрации талпа до начала процесса.

0,5 — 15 вес.% от общего веса сплава, однако При наружном применении присадочболее приемлемый рост кинетики реакции и ные материалы наносят по крайней мере на улучшение ее морфологии достигается при часть соответствующей поверхности массы концентрации присадок в диапазоне 1-10 держателя или исходного металла в виде

5

15 однородного покрытия. Количество присадочного материала изменяется в широких пределах по отношению к количеству исходного металла, который должен быть подвергнут реакции, как показали эксперименты, в случае алюминия имеются верхний и нижний пределы. Например, при использовании кремния в виде двуокими кремния, наносимой снаружи в качестве присадки на сплав алюминия с магнием в качестве исходного металла, с использовании кислорода в качестве окислителя, достаточно

0.00003 г кремния на грамм исходного металла или примерно 0,0001 г кремния на квадратный сантиметр поверхности исходного металла, на которую наносится двуокись кремния. Было также обнаружено, что керамическая структура получается из исходного металла в виде алюминия и кремния с использованием воздуха или кислорода в качестве окислителя путем использования в качестве присадки MgO в количестве, большем чем 0,0008 г Mg на грамм исходного металла, который подвергается окислению, и более 0,003 г Mg на квадратный сантиметр поверхности, на которую наносится MgO.

Далее изобретение проиллюстрировано примером.

Пример. Цилиндрическую массу алюминия (сплав 380.1. имеющий состав по весу

8 — 8,5% SI, 2 — 3% Еп и 0,1% Мц как активной присадки, и 3 — 5% Си, а также Fe, Mn и Ni, содержание Mg иногда выше. чем в интервале 0,17 — 0,18%), имеющую диаметр 3 дюйма (76 мм), толщину 1/2 дюйма (12.7 мм) и отверстие 1 дюйм (25 мм), поместили в держатель цилиндрической формы, содержащий пористый полистирол 3 — 1/2 дюйма в диаметре (89 мм) и 3/8 дюйма (9.5 мм) толщины, на который нанесен тонкий слой присадки в виде окиси кремния (30 микрон, минусил) так, что присадка находилась между металлом и держателем. На шаблонную секцию металла нанесли подходящий газопроницаемый материал, содержащий смесь

30 вес.% модельного гипса (фирмы "Водекс"), 70 вес.% валластонит (минеральный силикат кальция фирмы "Нико инк.") и воду до образования пригодной для работы пасты. и дополнительно покрыли всю поверхность массы держателя эа исключением дна, Шаблонная часть металла включает верх, боковую поверхность и отверстие, Нанесенной смеси дали схватиться. при этом модельный гипс подвергся гидролизу, была образована зона упрочнения вблизи шаблонной части металла, Этот металл. держатель и газопроницаемый материал

20.

55 поместили в волластонитовую форму. находящуюся в жаропрочном сосуде, Полученную сборку помес или в печь в подачей воздуха и нагревали в течение 5 ч до 1000 С. Температуру в печи поддерживали на 1000 С в течение 100 ч и затем печь охладили до окружающей температуры в течение 5 ч.

Фасон ную керамическую структуру восстановили, газопроницаемое покрытие удалили путем легкой пескоструйной обработки. Полученная керамическая структура по форме повторяла шаблонную секцию исходного металла, включая отверстие.

Формула изобретения

1, Способ получения керамических изделий, включающий размещение заготовки металла из группы: титан, цирконий, кремний, олово, гафний, легированный алюминий в контакте с газообразным реагентом, нагрев заготовки до температуры, превышающей температуру плавления металла, но ниже температуры продукта его взаимодействия с газообразным реагентом, поддер>кание температуры в этом температурном диапазоне в течение времени, достаточного для осуществления реакции и роста продукта взаимодействия в сторону газообразного реагента с образованием самосвязанного тела, отличающийся тем, что, с целью получения изделий сложной конфигурации, изготавливают заготовку металла по форме, соответствующей форме заданного изделия, имеющую шаблонную секцию, наносят на эту секцию слой барьерного материала, проницаемого только для газообразного реагента, толщиной, обеспечивающей целостность слоя при дальнейшем процессе, устанавливают заготовку над приемной емкостью, размер которой достаточен для размещения расплава металла заготовки, а после выплавления металла поддерживают температуру до заполнения полости, образовавшейся на месте заготовки, продуктом взаимодействия металла с газообразной средой.

2. Способ по и. 1, отл ич а ю щи йс я тем, что барьерный материал содержит гипс и/или волластонит.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью получения модифицированного поверхностного слоя между металлической заготовкой и барьерным слоем размещают слой наполнителя, инертного к продукту взаимодействия металла с газообразной средой, из группы: оксид, карбид, нитрид и борид.

1807981

4.Способпопп, 1 и 2, отличаюшийся тем, что в приемную емкость перед металлической заготовкой размещают опору из материала, испаряющегося при плавлении металла или из жаропрочного материала.

5. Способ по пп. 1 и 3, от лича юшийся тем, что в качестве легирующего элемента используют по крайней мере два элемента из группы: Mg, Zn, Su, $п, Fe.

6, Способ по пп. 1-4, отл ич а ю щи йс я тем, что в качестве газообразной среды используют кислород или азот, содержащий газ, а процесс ведут при 850 — 1450 С.

1807981

Составитель Н. Соболева

Техред М,Моргентал Корректор М. Максимишинец

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул. Гагарина, 101

Заказ 1393 . Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35. Раушская наб., 4/5