Состав для нанесения защитного покрытия на углеродные изделия

 

Использование: для создания жаростойких, газо-влагозащитных покрытий на экранах и нагревателях электрических печей, а также для защиты графитовых тиглей для плавки цветных металлов и сплавов от окисления при нагреве на воздухе. Сущность изобретения: состав включает в мас.%: дисилицид молибдена - 40-50, оксид кремния 41-47, оксид бора - 8-10, оксид алюминия - 1-3. Характеристика: потеря массы 0,9-2,4%. 1 табл.

Изобретение относится к производству огнеупорных материалов и может быть использовано для нанесения защитного покрытия на углеродные изделия, в том числе из композиционных углерод-углеродных материалов, например на детали экранов, нагревателей, тигли для плавки металлов и др.

Известны гетерогенные покрытия в системе MoSi₂ боросиликатное стекло (B₂O₃ SiO₂), полученные по шликерно-обжиговой технологии. Преимуществом нанесения покрытия данного состава является пластичность покрытия при повышенных температурах и высокая окислительная стойкость изделий с покрытием при температурах 1400-1500^oC [1] Недостатком использования покрытия данного состава является необходимость многократного (многослойного) нанесения шликерного покрытия (от 3 до 5 раз) с проведением высокотемпературного обжига изделия с покрытием после нанесения каждого шликерного слоя. Кроме того, при длительной высокотемпературной выдержке в окислительной атмосфере имеет место образование в стекле кристаллических фаз (α кварц, a кристобаллит), что приводит к локальному растрескиванию покрытия и увеличению скорости окисления.

Задачей изобретения является сокращение времени нанесения покрытия, снижение окисления.

Решение задачи обеспечивается тем, что в состав для нанесения защитного покрытия, содержащий дисилицид молибдена, оксиды кремния и бора дополнительно вводят оксид алюминия при следующем соотношении компонентов вес.

Дисилицид молибдена 40 50 Оксид кремния 41 47 Оксид бора 8 10 Оксид алюминия 1 3 Дополнительное содержание оксида алюминия позволяет получить остеклованное газоплотное покрытие.

Выбор соотношения компонентов в покрытии обусловлен следующими соображениями: с увеличением содержания дисилицида молибдена в покрытии увеличивается его жаростойкость и тугоплавкость, поэтому целесообразно введение максимально возможного количества дисилицида молибдена в покрытие. Однако при содержании его в покрытии более 50% существенно затрудняется формирование беспористого остеклованного покрытия, что ухудшает его жаростойкость и снижает герметичность (образуется пористый "спек", а не тугоплавкое стекло). Уменьшение дисилицида молибдена улучшает формируемость покрытия, снижая его тугоплавкость. При содержании дисилицида молибдена менее 40% температура эксплуатации изделий с покрытием уменьшается до температуры <1500C, что ограничивает применение таких покрытий.

Оксиды бора и алюминия уменьшают кристаллизационную способность диоксида кремния, уменьшают структурированность образуемого стекла, делают его более стабильным по свойствам и технологичным при изготовлении.

Для образования аморфного кремнозема при его заданном количестве количество оксида бора должно быть не менее 8-10 Увеличение оксида бора >10% снижает тугоплавкость стекла до температуры ниже 1500^oC. Кроме того, при взаимодействии дисилицида молибдена с оксидом бора образуются тугоплавкие бориды молибдена, повышающие тугоплавкость покрытия.

Введение оксидов бора и алюминия в заданных количествах способствует изменению коэффициента термического расширения материала покрытия до величины 3,6 1/^oC, что практически соответствует коэффициенту термического расширения силицированных углеродных материалов.

Добавление оксида алюминия благоприятно сказывается на повышении вязкости покрытия при высоких температурах (выше 1600^oC), что существенно замедляет скорость разрушения покрытия. Однако увеличение содержания оксида алюминия >3% приводит к образованию легкоплавкой Al₂O₃ SiO₂ - эвтектики, снижающей тугоплавкость образующегося покрытия.

Введение оксида алюминия (Al₂O₃), являющегося хорошим аморфизатором стекла, устраняет или существенно уменьшает вероятность образования кристаллических фаз. Введение оксида алюминия улучшает смачивание покрытиям углеродной подложки, что позволяет получать газоплотное покрытие после нанесения 2-3 слоев это сокращает время нанесения покрытия на 20-40% Нанесение покрытия осуществляется по шликерной технологии. Шликер наносят на защищаемую поверхность углеродной детали, которую затем сушат. Остекловывание покрытия осуществляют в инертной атмосфере. Для получения герметичного покрытия оптимальной (0,2 0,4 мм) толщины наносят 2-3 слоя покрытия.

Процесс образования покрытия происходит следующим образом. В процессе остекловывания в инертной среде при повышенных температурах окислительные процессы в покрытии осуществляются только за счет кислорода расплава. При нагреве до температуры 1300 1500^oC происходит частичное окисление дисилицида молибдена с образованием на поверхности частичек MoSi₂ пленок диоксида кремния.

Стеклообразные составляющие, находясь при формировании покрытия в расплавленном состоянии взаимодиффундируют и образуют жаростойкую стеклообразную матрицу с равномерно распределенными в ней частичками дисилицида и борида молибдена. Образование переходного слоя на границе "покрытие-основа" с монотонно изменяющимися свойствами приводит к повышению прочности сцепления покрытия с основой.

Пример 1.

Для защиты от окисления и герметизации экрана электронагревательной печи размерами ⊘80/⊘350×500 мм из карбонизованного углепластика, пропитанного расплавом бора и кремния, на его поверхность наносят защитное покрытие описанного выше состава.

Порошок боросиликатного стекла смешивают с дисилицидом молибдена в соотношении 3: 2 и перемешивают в течение 24 ч. Шликер из образовавшейся порошковой смеси составляют на водно-спиртовом растворе. После нанесения шликера на поверхность детали с помощью кисточки, деталь с покрытием сушат, а затем обжигают в инертной атмосфере аргона по режиму: температура обжига 1320^oC, время выдержки 0,5 ч. время охлаждение 36 ч. В той же последовательности операций осуществляют нанесение еще двух слоев покрытия.

В результате на поверхности экрана образуется стекловидное блестящее покрытие черного цвета без пор и трещин. Покрытие обеспечивает газоплотность изделия при давлении газа 8-10 атм.

Для сравнения на такую же деталь наносили покрытие состава, указанного в прототипе, также по шликерной технологии.

Формирование покрытия после сушки происходило путем нагрева на воздухе в муфельной печи при температуре 850^oC в течение 1 ч. Было нанесено 3 слоя покрытия. Окончательное покрытие имело сетку трещин и отслоение в выходной части экрана. Такое покрытие негерметично уже при давлении 0,5-1,0 атм.

Пример 2.

На образец ⊘30×6 мм из углерод-керамического композиционного материала (УККМ) нанесено защитное покрытие состава и по технологии, описанной в примере 1. Образец испытывался на установке ВГУ-2 в скоростном потоке воздуха с большим содержанием ионизированного кислорода. Температура на поверхности образца в процессе испытания достигала 1500-1550^oC, время одного цикла испытания 10 мин. Защитное покрытие выдерживает без нарушения целостности 5 циклов испытания (угар массы ≈ 1-2%). Образцы из того же материала без покрытия катастрофически разрушались уже на первом цикле испытания.

Результаты сравнительных испытаний покрытий различных составов и габаритов представлены в таблице.

Таким образом, описанный состав позволяет наносить качественные покрытия на крупногабаритные изделия из углерод-углеродных материалов. Изделия с покрытием обладают высокой стойкостью против окисления при температурах высокоскоростного газового потока вплоть до 1500-1600^oC.

Формула изобретения

Состав для нанесения защитного покрытия на углеродные изделия, включающий дисилицид молибдена, оксиды кремния и бора, отличающийся тем, что он дополнительно содержит оксид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.

Дисилицид молибдена 40 50 Оксид кремния 41 47 Оксид бора 8 10
Оксид алюминия 1 3

РИСУНКИ

Рисунок 1