Способ изготовления керамического композитного тела

 

Изобретение относится к производству керамического композитного материала. Сущность изобретения: предложен способ изготовления керамического композиционного тела, включающий нагрев основного металла до температуры выше температуры его плавления, но ниже температуры плавления продукта реакции его окисления, контактирование полученного расплавленного основного металла с массой наполнителя в присутствии окислителя, проведение реакции расплавленного основного металла с окислителем для образования продукта реакции окисления, повторное контактирование, по крайней мере, части продукта реакции окисления с расплавленным основным металлом и окислителем для постепенного перемещения расплавленного основного металла через продукт реакции окисления в направлении окислителя с образованием продукта реакции окисления внутри массы наполнителя на поверхности раздела между окислителем и ранее образованным продуктом реакции окисления, характеризующийся тем, что перед контактированием расплавленного основного металла с массой наполнителя последний помещают в оболочку, выполненную из сплава с большим коэффициентом теплового расширения, чем керамическое композитное тело, и состоящую из внутренней сетчатой прокладки и наружного жесткого цилиндра. В качестве основного металла может быть использовано алюминий, а также элемент, выбранный из группы, содержащей кремний, титан, олово, цирконий, гафний. В качестве окислителя может быть использовано кислородсодержащий газ, в частности воздух, в качестве продукта реакции окисления - окись алюминия, а нагрев алюминия осуществляют до температуры 850-1450°С. Окислитель может быть использовано в паровой, твердой или жидкой фазе, причем окислитель в твердой или жидкой фазе вводят внутрь наполнителя и осуществляют реакцию расплавленного основного металла с окислителем в твердой или жидкой фазе, приводящую к образованию, по крайней мере, части поликристаллического продукта реакции окисления. В качестве твердого окислителя может быть использовано вещество, выбранное из группы, содержащей двуокись кремния, бор, восстанавливаемые бориды металлов. В качестве наполнителя может быть использовано вещество, выбранное из группы, содержащей двуокись кремния, карбид кремния, окись алюминия, двуокись циркония, алюминиево-кислый магний. В случае использования окислителя в паровой фазе в качестве материала оболочки и наполнителя используют материал, проницаемый для окисления в паровой фазе. Оболочку выполняют из материала, содержащего металл, выбранный из группы, состоящей из нержавеющей стали, металла Инконель, металла Hastalloy, металла Fecrab, металла Fecralloy и металла Inkolloy. 9 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к изготовлению керамических композитных тел, содержащих поликристаллическую керамическую матрицу с наполнителем и оболочкой для поддержания тела в условиях напряжения сжатия.

Известен способ изготовления керамического композитного тела, заключающийся в том, что расплавленный металл взаимодействует с окислителем в паровой фазе при температуре выше точки его плавления, в результате чего металл переводят в оксид таким образом, что происходит непрерывный рост оксида на границе раздела оксид - атмосфера при пропускании металла через продукт окисления. Благодаря созданию необходимых условий жидкий металл перемещается по определенным границам кристаллитов оксида за счет явления, преимущественно смачивания, при этом образование продукта реакции окисления происходит в направлении к наполнителю и в нем. Основным металлом является алюминий или его сплав, а другим металлом может быть кремний, германий, олово, магний, свинец и его сплавы.

Объем металлического компонента составляет примерно 1-10% от объема керамического тела до начала контактирования с другим металлом. Полученное самонесущее керамическое тело содержит наполнитель, который пропитан поликристаллическим продуктом реакции окисления. Данный способ является наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату.

Недостатком известного способа является невозможность обеспечить точную геометрию получаемых тел, а также необходимость проведения шлифования и невысокие механические свойства.

Целью изобретения является обеспечение изготовления керамических композитных тел заданной геометрии без шлифования и повышение механических свойств получаемых тел.

Предлагается способ изготовления керамического композитного тела, включающий нагрев основного металла до температуры выше температуры его плавления, но ниже температуры плавления продукта реакции его окисления, контактирование полученного расплавленного основного металла с массой наполнителя в присутствии окислителя, проведение реакции расплавленного основного металла с окислителем для образования продукта реакции окисления, повторное контактирование, по крайней мере, части продукта реакции окисления с расплавленным основным металлом и окислителем для постепенного перемещения расплавленного основного металла через продукт реакции окисления в направлении окислителя с образованием продукта реакции окисления внутри массы наполнителя на поверхности раздела между окислителем и ранее образованным продуктом реакции окисления, характеризующийся тем, что перед контактированием расплавленного основного металла с массой наполнителя последний помещают в оболочку, выполненную из сплава с большим коэффициентом теплового расширения, чем керамическое композитное тело, и состоящую из внутренней сетчатой прокладки и наружного жесткого цилиндра.

В качестве основного металла может быть использован алюминий, а также элемент, выбранный из группы, содержащей кремний, титан, олово, цирконий, гафний.

В качестве окислителя может быть использован кислородсодержащий газ, в частности воздух, в качестве продукта реакции окисления - окись алюминия, а нагрев алюминия осуществляют до температуры 850-1450^оС. Окислитель может быть использован в паровой, твердой или жидкой фазе, причем окислитель в жидкой или твердой фазе вводят внутрь наполнителя и осуществляют реакцию расплавленного основного металла с окислителем в твердой или жидкой фазе, приводящую к образованию, по крайней мере, части поликристаллического продукта реакции окисления. В качестве твердого окислителя может быть использовано вещество, выбранное из группы, содержащей двуокись кремния, бор, восстанавливаемые бориды металлов, а в качестве наполнителя - вещество, выбранное из группы, содержащей двуокись кремния, карбид кремния, окись алюминия, двуокись циркония, алюминиевокислый магний. В случае, если окислитель используют в паровой фазе, в качестве материала оболочки и наполнителя используют материал, проницаемый для окислителя в паровой фазе. Оболочка может быть выполнена из материала, содержащего металл, выбранный из группы, состоящей из нержавеющей стали, металла Инконель, металла Hastalloy, металла Fecral, металла Fecralloy и Inkolloy.

Изобретение иллюстрируется следующим примером. Для приготовления керамической композитной конструкции, имеющей установленную на ней металлическую втулку, в трубке с наружным диаметром 49,2 мм из металлического сплава Инконель 601 длиной 152,4 мм просверлили отверстие диаметром 4,8 мм. Отверстия просверлили по всему цилиндрическому корпусу трубы с расстоянием между центрами 9,5 мм по рядному шаблону. В качестве внутренней прокладки для трубы из сплава Инконель с просверленными отверстиями применяли перфорированный лист нержавеющей стали марки 304 толщиной примерно 0,2 мм и диаметром 0,4 мм. Отверстия составили 22% открытой площади поверхности листа. Перфорированный лист из нержавеющей стали выбран как преграда росту матрицы. Элемент основного металла, состоящий из алюминиевого сплава, содержащего 10% кремния и 3% магния, содержал тело источника основного металла и корпус основного металла, который имеет нескошенную цилиндрическую конфигурацию диаметром 63,5 мм и высотой 50,8 мм, при этом тело источника основного металла имело диаметр 19,1 мм и длину 152 мм, было соединено в резьбовой конфигурации и заделано в массе наполнителя из смеси 5% кварца и 95% песчаника Алунд 38 и порошкового глинозема. Смесь наполнителя нагревали в течение 24 ч до температуры порядка 1250^оС, затем ее охлаждали до температуры окружающей среды, и охлажденную смесь измельчали и помещали внутрь перфорированной трубки из сплава Инконель с облицовкой из нержавеющей стали. На тело источника основного металла наносили слой древесного клея и песка. Корпус резервуара замуровали внутрь слоя песчаника Алунд 38, содержащегося внутри камеры из нержавеющей стали, которая имела в днище отверстие диаметром 50,8 мм. Верхний конец трубки из сплава Инконель приваривали по периферии отверстия диаметром 50,8 мм. Для опоры блока в вертикальном положении часть трубки из сплава Инконель поместили внутрь опорного цилиндра из нержавеющей стали с внутренним диаметром 88,9 мм, которые составили 40% площади открытой поверхности опорного цилиндра. Опорный цилиндр имел такую длину, чтобы удерживать камеру резервуара на верху опорного цилиндра. Такая конструкция поддерживала блок из основного металла и наполнителя в вертикальном положении, при этом корпус резервуара располагался вертикально над телом источника. Поддерживаемый блок поместили на огнеупорный открытый контейнер и нагревали в печи, имеющей воздушную атмосферу, в течение 10 ч при температуре 1245^оС, затем его выдерживали в течение 100 ч при 1245^оС и охлаждали в течение 30 ч до температуры 125^оС, после этого оставили для охлаждения до температуры окружающей среды. Керамическое композитное тело выращивали внутри оболочки в форме цилиндра из нержавеющей стали и сплава Инконель. Было обнаружено, что после охлаждения оболочка из сплава Инконель имела очень тугую посадку вокруг керамического композитного тела и создавала напряжение сжатия на керамическое композитное тело благодаря большому коэффициенту теплового расширения. После удаления отвержденного основного металла из отверстия керамического тела путем просверливания и химической обработки соляной кислотой образовалось сквозное отверстие, которое представляло собой копию резьбовой конфигурации тела источника. Предложенный способ обеспечивает точное соответствие керамического композитного тела трубке из сплава Инконель без шлифования поверхности раздела керамика - металл.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО КОМПОЗИТНОГО ТЕЛА, включающий нагрев основного металла до температуры выше температуры его плавления, но ниже температуры плавления продукта реакции его окисления, контактирование полученного расплавленного основного металла с массой наполнителя в присутствии окислителя, проведение реакции расплавленного основного металла с окислителем для образования продукта реакции окисления, повторное контактирование по крайней мере части продукта реакции окисления с расплавленным основным металлом и окислителем для постепенного перемещения расплавленного основного металла через продукт реакции окисления в направлении окислителя с образованием продукта реакции окисления внутри массы наполнителя на поверхности раздела окислителя и ранее образованного продукта реакции окисления, отличающийся тем, что перед контактированием расплавленного основного металла с массой наполнителя последнюю помещают в оболочку, выполненную из сплава с коэффициентом теплового расширения (КТР) большим, чем КТР керамического композитного тела, и состоящую из внутренней сетчатой прокладки и наружного жесткого цилиндра.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве основного металла используют алюминий.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве окислителя используют кислородсодержащий газ, в качестве продукта реакции окисления - оксид алюминия, а нагрев алюминия осуществляют до 850 - 1450^oС.

4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащего газа используют воздух.

5. Способ по пп.1 - 4, отличающийся тем, что используют окислитель в паровой фазе и по крайней мере в твердой или жидкой фазе, причем окислитель в твердой или жидкой фазе вводят внутрь наполнителя и осуществляют реакцию расплавленного основного металла с окислителем в твердой или жидкой фазе, приводящую к образованию по крайней мере части поликристаллического продукта реакции окисления.

6. Способ по пп.1 - 5, отличающийся тем, что в качестве твердого окислителя используют вещество, выбранное из группы, содержащей диоксид кремния, бор, восстанавливаемые бориды металлов.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве основного металла используют элемент, выбранный из группы, содержащей кремний, титан, олово, цирконий, гафний.

8. Способ по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используют вещество, выбранное из группы, содержащей диоксид кремния, карбид, кремния, оксид алюминия, диоксид циркония, алюминиевокислый магний.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что окислитель используют в паровой фазе, а в качестве материала оболочки и наполнителя используют материал, проницаемый для окислителя в паровой фазе.

10. Способ по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что оболочку выполняют из материала, содержащего металл, выбранный из группы, состоящей из нержавеющей стали, металлов "Инконель", "Hastalloy", "Fecral", "Fecralloy" и "Infeolloy".