Способ получения стеклосилицидных покрытий

 

Использование: для защиты тиглей для плавки металлов, нагревателей и экранов электронагревательных устройств. Сущность изобретения: смешивают порошок силикатного стекла состава, мас.%: B₂О₃ - 15,0-17,0; Al₂O₃ - 1,2-2,0; SiO₂ - остальное с оксидом или беcкислородным соединением тугоплавкого металла и связующим. Полученный шликер наносят на изделие, содержащее углерод и карбид кремния. Наносят дополнительный шликер из силикатного стекла и связующего и термообрабатывают в вакууме при 950-1200^oC. Затем термообрабатывают в инертной или кислородсодержащей атмосфере при 1200-1450^oC. При этом после нанесения основного шликера возможно проведение дополнительной термообработки в вакууме. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение касается способа защиты углеродных, в том числе и карбидсодержащих изделий от окисления при высоких температурах и может быть использовано в любой области техники, в том числе в строительной индустрии, в металлургической и электротехнической промышленности, в частности, для защиты тиглей для плавки металлов, нагревателей и экранов электронагревательных устройств.

Наиболее близким к предложенному является способ получения стеклосилицидных покрытий, включающий нанесение шликера, содержащего дисилицид молибдена, боросиликатное стекло, воду и спирт на бориды тугоплавких металлов и обжиг в воздушной среде при 1350-1430^oC [1] Известный способ обеспечивает cплошность покрытия, однако практически не увеличивает температуру эксплуатации.

Техническим результатом изобретения является повышение температуры эксплуатации изделий с покрытием и снижение каталитичности покрытий. Под каталитичностью понимается способность к дополнительному разогреву поверхности, контактирующей с ионизированным воздухом, за счет теплового эффекта рекомбинации атомов азота и кислорода в молекулы, воспринимаемого поверхностью. Наименьшей каталитичностью обладает поверхность чистого диоксида кремния. Дополнительный разогрев поверхности прототипа при температурах 1300-1500^oC достигает 150-200^oC.

Указанный технический результат достигается тем, что перед термообработкой в инертной или кислородсодержащей среде на основной шликер (силикатное стекло + тугоплавкое соединение) наносят шликер только из силикатного стекла и связующего и термообрабатывают в вакууме. Возможен и другой вариант исполнения, при котором вакуумной термообработке деталь подвергают как после нанесения основного шликера, так и вторично после нанесения шликера из силикатного стекла.

В случае использования для изготовления основного и силикатного шликеров стекла состава, мас. B₂O₃ 15,0-17,0; Al₂O₃ - 1,2-2,0; SiO₂ остальное, термообработку в вакууме ведут при температуре 950-1200^oC, а термообработку в инертной или окислительной атмосфере при 1200-1450^oC.

Повышение температуры эксплуатации покрытия обеспечивается следующим образом.

При термообработке в вакууме на поверхности покрытия формируется газонепроницаемая пленка стеклорасплава, которая, во-первых, предотвращает проникновение газов в поры подложки в ходе последующей термообработки в инертной или кислородсодержащей атмосфере, во-вторых, давление атмосферы на газонепроницаемую пленку стеклорасплава при термообработке в инертной или кислородсодержащей атмосфере способствует снижению пористости основного покрытия и его плотному прилеганию к подложке. В результате вероятность прорыва покрытия давлением газов из подложки существенно снижается, что обеспечивает повышение температуры эксплуатации покрытия.

Наличие на поверхности покрытия пленки силикатного стекла, состоящей преимущественно из диоксида кремния и не содержащей частиц тугоплавких соединений, обеспечивает снижение каталитичности покрытия.

Присутствие не содержащей частиц наполнителя пленки на поверхности покрытия системы боросиликатное стекло дисилицид молибдена обеспечивает существенное снижение скорости испарения компонентов стекла при температурах 1300-1600^oC.

Возможны два варианта нанесения поверхностного слоя силикатного стекла: совместно c основным покрытием и после закрепления основного шликерного покрытия, содержащего частицы тугоплавких соединений, термообработкой в вакууме.

Выбор конкретных температурных интервалов нанесения покрытий, включающих боросиликатное стекло приведенного выше состава (п.3 формулы) обусловлен следующими причинами. В зависимости от условий эксплуатации содержание тугоплавкого соединения в покрытии может составлять от 10 до 50 об. Температура термообработки в аргоне или кислородсодержащей среде определяется исходя из температуры начала формирования шликерного покрытия. Например, для покрытия с 10% дисилицида молибдена она составляет 1200+50^oC, для покрытия с 50% дисилицида молибдена 1400+50^oC. Формирование покрытий с другими тугоплавкими соединениями (карбиды титана, циркония и кремния, оксиды иттрия, циркония и гафния) происходит в тех же температурных интервалах.

При более низкой температуре формирование контактной структуры покрытия не происходит, термообработка при более высокой температуре нецелесообразна главным образом вследствие возрастания скорости испарения компонентов стеклофазы покрытия. Выбор температурного интервала термообработки в вакууме обусловлен следующим. До температуры 950^oC не происходит формирование газонепроницаемой стеклопленки на поверхности покрытия, препятствующей проникновению газов в поры подложки при термообработке в инертной или кислородсодержащей атмосфере. При температуре выше 1200^oC существенно возрастает скорость испарения в вакууме компонентов пленки стеклорасплава.

При реализации предлагаемого способа по п.2 формулы и использовании боросиликатного отекла приведенного выше состава термообработка основного покрытия в вакууме при температурах 950-1200^oC обеспечивает частичное уплотнение основного покрытия без формирования газонепроницаемой структуры. При температуре ниже 950^oC уплотнение основного покрытия не происходит, при температуре выше 1200^oC возрастает скорость испарения в вакууме компонентов стеклофазы.

В таблице приведены конкретные примеры выполнения покрытия по описанному способу, а также результаты сравнительных термохимических испытаний покрытых образцов. В качестве подложки использован композиционный материал, представляющий собой матрицу из углерода и карбида кремния, содержащую наполнитель из углеродной ткани, пористость материала составляла 10 об.

Методика испытаний включала нагрев поверхности образца с покрытием в дозвуковом потоке ионизированной воздушной плазмы при статическом давлении (5-20)·10³ Па. Продолжительность испытаний составляла от 600 до 10000 с.

Для приготовления шликеров использован порошок стекла приведенного выше состава. Термообработка в вакууме проводилась при остаточном давлении 0,6-1,0 мм рт.ст. в течение 20-30 мин, окончательную термообработку производили в инертной среде (аргон) при давлении (0,6-0,95)·l0⁵ Па, длительность выдержки составляла 15-30 мин.

Данные, приведенные в таблице, показывают, что при использовании описанного способа температура устойчивой эксплуатации повышается на 100-200^oC, снижение скорости уноса увеличивает длительность эксплуатации более чем в 5 раз.

Формула изобретения

1. Способ получения стеклосилицидных покрытий, включающий приготовление основного шликера смешением порошков силикатного стекла, оксида или бескислородного соединения тугоплавких металлов и связующего, нанесение шликера на изделия и термообработку в инертной или кислородсодержащей атмосфере, отличающийся тем, что основной шликер наносят на пористый композиционный материал, содержащий углерод и карбид кремния, после чего наносят дополнительно шликер из силикатного стекла и связующего и термообрабатывают в вакууме, а затем проводят термообработку в инертно- или кислородсодержащей атмосфере.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после нанесения основного шликера проводят дополнительную термообработку в вакууме.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что для изготовления основного шликера и шликера из силикатного стекла берут стекло состава, мас.

B₂O₃ 15,0 17,0 Al₂O₃ 1,2 2,0 SiO₂ Остальное при этом термообработку в вакууме ведут при 950 1200^oС, а термообработку в инертной или кислородсодержащей атмосфере при 1200 - 1450^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1