Способ получения углеродкарбидокремниевого композиционного материала

Изобретение относится к получению композиционных материалов, в частности, путем пропитки с одновременным химическим взаимодействием. Может использоваться в машиностроении, аэрокосмической промышленности, технических устройствах специального назначения и др. Углеродкарбидокремниевый композиционный материал получают путем пропитки углеродной пористой заготовки при температуре 1700-1800°С расплавом кремния или сплавов на его основе. Пропитку осуществляют однонаправленным потоком расплава, распространяющимся фронтом сразу по всему сечению заготовки. Скорость погружения заготовки в расплав не более 10 см/мин. Техническим результатом является повышение эксплуатационных свойств изделия за счет обеспечения однородности свойств заготовки.

 

Изобретение относится к производству композиционных материалов, в частности путем пропитки заготовки расплавом и одновременного химического взаимодействия его с материалом пористой заготовки, и может использоваться в машиностроении, черной и цветной металлургии, аэрокосмической промышленности, технических устройствах специального назначения.

Известен способ получения композиционного материала, описанный в п. РФ №2085544 "Способ получения коррозионно-стойких изделий на основе углерода" по кл. С 04 В 35/32, з. 01.06.93, оп. 27.07.97.

Известный способ заключается в пропитке изделий методом дождевания или погружения расплавом кремния с добавкой меди в количестве 0,5-2,5 мас.%.

Недостатком известного способа является то, что, во-первых, содержащиеся в кремнии примеси также могут вступать во взаимодействие с углеродом и образовывать нестабильные в условиях эксплуатации карбиды, обуславливающие саморазрушение изделий. Кроме того, такой способ пропитки в индукционных печах типа УВС-2, как правило, обеспечивает поступление расплава по порам вглубь углеродной заготовки практически со всех сторон одновременно. В результате газообразные продукты, находящиеся в порах заготовки, начинают сжиматься под действием поступающего со всех сторон расплава до тех пор, пока газовое давление не выравняется с давлением расплава. В такой ситуации в объеме заготовки большого сечения образуются области, в которые расплав кремния по порам под действием капиллярных сил поступить не может. Следовательно, количество образовавшегося карбида кремния в таких областях также существенно меньше по сравнению с остальным объемом композита. На границе с такими областями обнаруживается повышенное содержание меди. Поэтому углеродкарбидокремниевый материал оказывается пространственно неоднородным по фазовому составу, следовательно, эксплуатационные свойства изделия также по его сечению неоднородны, особенно в заготовках большого сечения.

Известен способ получения изделий из углеродкарбидокремниевого материала, описанный в одноименном патенте РФ №2084425 по кл. С 04 В 35/52, 35/83, 35/56, з. 30.12.92, оп. 20.07.97.

Известный способ включает изготовление углепластиковой заготовки на основе углеродного волокна и термореактивного связующего, ее предварительную термическую обработку до образования кокосовой матрицы, армированной углеродными волокнами, последующее уплотнение коксовой матрицы путем насыщения пироуглеродом, кристаллизацию осажденного пироуглерода, образование поровых каналов путем дополнительной термической обработки уплотненной пироуглеродом заготовки при температуре 1900-2000°С и силицирование орошением.

Недостатком известного способа является то, что во-первых, содержащиеся в кремнии примеси также могут вступать во взаимодействие с углеродом и образовывать нестабильные в условиях эксплуатации карбиды, обуславливающие саморазрушение изделий. Кроме того, такой способ пропитки в индукционных печах типа УВС-2, как правило, обеспечивает поступление расплава по порам вглубь углеродной заготовки практически со всех сторон одновременно. В результате газообразные продукты, находящиеся в порах заготовки, начинают сжиматься под действием поступающего со всех сторон расплава до тех пор, пока газовое давление не выравняется с давлением расплава. В такой ситуации в объеме заготовки большого сечения образуются области, в которые расплав кремния по порам под действием капиллярных сил поступить не может. Следовательно, количество образовавшегося карбида кремния в таких областях также существенно меньше по сравнению с остальным объемом композита. Поэтому углеродкарбидокремниевый материал оказывается пространственно неоднородным по фазовому составу, следовательно, эксплуатационные свойства изделия также по его сечению неоднородны, особенно в заготовках большого сечения.

Известен способ получения композиционного материала, описанный в а.с. СССР №1505667 «Способ изготовления спеченного композиционного материала на основе тугоплавких соединений» по кл. B 22 F 3/26, з. 13.01.89, оп. 07.09.89.

Известный способ заключается в том, что производят спекание каркаса из тугоплавкого соединения, пропитку его расплавом металла, выбранным из подгруппы железа, и пропитку каркаса с одной стороны медью, причем пропитку каркаса металлом из подгруппы железа и меди осуществляют одновременно с противоположных сторон каркаса.

Недостатком известного способа является то, что при поступлении расплава для пропитки с двух сторон на месте встречи фронтов (в объеме материала) происходит концентрация примесей, тем большая, чем больше сечение пористой углеродной заготовки (примерно на порядок), т.е. качество заготовки ухудшается.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ производства пористых углеродных материалов, описанный в ст. авторов Елютина и др. в журнале «Заводская лаборатория», 1966, т.32, №5, стр.626 и в книге Тарабанова А.С. и др. "Силицированный графит", М.: Металлургия, 1977. 206 с.

Известный способ заключается в пропитке пористой углеродной заготовки расплавом кремния или сплавов на основе кремния при температуре 1700-1800°С методом дождевания или погружения. В процессе такой пропитки развивается взаимодействие кремния технической чистоты (КР-1 или КР-0) с углеродом и образование карбида кремния.

Недостатком такого способа является то, что, во-первых, содержащиеся в кремнии примеси также могут вступать во взаимодействие с углеродом и образовывать нестабильные в условиях эксплуатации карбиды, обуславливающие саморазрушение изделий. Кроме того, такой способ пропитки в индукционных печах типа УВС-2, как правило, обеспечивает поступление расплава по порам вглубь углеродной заготовки практически со всех сторон одновременно. В результате газообразные продукты, находящиеся в порах заготовки, начинают сжиматься под действием поступающего со всех сторон расплава до тех пор, пока газовое давление не выравняется с давлением расплава. В такой ситуации в объеме заготовки большого сечения образуются области, в которые расплав кремния по порам под действием капиллярных сил поступить не может. Следовательно, количество образовавшегося карбида кремния в таких областях также существенно меньше по сравнению с остальным объемом композита. Поэтому углеродкарбидокремниевый материал оказывается пространственно неоднородным по фазовому составу, следовательно, эксплуатационные свойства изделия также по его сечению неоднородны, особенно в заготовках большого сечения.

Задачей заявляемого изобретения является улучшение эксплуатационных свойств изделия за счет обеспечения однородности свойств заготовки.

Поставленная задача решается тем. что в способе получения углеродкарбидокремниевого композиционного материала, заключающемся в том, что углеродную пористую заготовку пропитывают при температуре 1700-1800°С расплавом кремния или сплавов на его основе, согласно изобретению, пропитку осуществляют однонаправленным потоком расплава, распространяющимся фронтом сразу по всему сечению углеродной пористой заготовки.

В процессе однонаправленного движения расплава по порам вследствие активного химического взаимодействия кремния с углеродом происходит формирование основной фазы - карбида кремния, стабильного при эксплуатации изделий как в агрессивных средах, так и в условиях радиационного и температурного воздействия. При этом движущийся через пористую углеродную заготовку расплав на фронте концентрирует примеси и вытесняет их на противоположную от начала пропитки сторону заготовки, т.е. такая пропитка однонаправленным потоком исключает образование газовых полостей в объеме пористой заготовки, т.к. происходит направленное вытеснение находящихся в ней газов и исключается образование в объеме изделия нестабильных в условиях эксплуатации карбидов. Таким образом, эксплуатационные свойства заготовки улучшаются.

В сравнении с прототипом заявляемый способ обладает новизной, отличаясь от него такими существенными признаками, как пропитка заготовки однонаправленным потоком и распространение этого потока фронтом сразу по всему ее сечению, предотвращающими образование в объеме изделия нестабильных фаз и обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.

Заявителю не известны технические решения, обладающие названными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заявленного технического результата, поэтому он считает, что заявляемый способ соответствует критерию «изобретательский уровень». Заявляемый способ получения композиционного материала может найти широкое применение в машиностроении, черной и цветной металлургии, аэрокосмической промышленности, технических устройствах специального назначения, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».

Способ получения композиционного материала заключается в следующем.

Углеродную пористую заготовку пропитывают при температуре 1700-1800°С расплавом кремния или сплавов на основе кремния. При этом пропитку осуществляют однонаправленным потоком расплава кремния или сплава на основе кремния, распространяющимся фронтом сразу по всему сечению углеродной пористой заготовки.

Пример.

Способ осуществляется следующим образом.

Заготовку устанавливают на специальной графитовой платформе, прогревают над поверхностью расплава кремния или сплавов на основе кремния и алюминия или кремния и меди, имеющим температуру 1700-1800°C, затем постепенно, со скоростью не более 10 см/мин опускают заготовку в ванну с расплавом. Расплав кремния или сплава на его основе поднимается по порам заготовки сразу по всему ее сечению, пропитывая заготовку в одном направлении, вытесняя имеющиеся в ней газы. Пропитка однонаправленным потоком исключает образование газовых полостей в объеме пористой заготовки, т.к. происходит направленное вытеснение находящихся в ней газов. При этом движущийся через пористую заготовку расплав на фронте (границе с непропитанной частью заготовки) постепенно концентрирует примеси и вытесняет их на противоположную от начала пропитки сторону заготовки, что обеспечивает вытеснение примесей на поверхность заготовки и формирование углеродкарбидокремниевого композиционного материала, однородного по всему сечению заготовки.

В сравнении с прототипом заявляемый способ получения углеродкарбидокремниевого композиционного материала позволяет получить заготовку с улучшенными эксплуатационными свойствами.

Способ получения углеродкарбидокремниевого композиционного материала, включающий пропитку углеродной пористой заготовки расплавом кремния или сплавов на его основе при температуре 1700-1800°С, отличающийся тем, что пропитку осуществляют однонаправленным потоком расплава, распространяющимся фронтом сразу по всему сечению заготовки, путем погружения заготовки в расплав со скоростью не более 10 см/мин.