Способ получения керамического материала на основе диоксида циркония, армированного дискретными волокнами оксида алюминия

Изобретение относится к области композиционных керамических материалов, в частности к материалам, армированным дискретными керамическими волокнами, которые могут быть использованы в космической, авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности. Технический результат изобретения - получение композиционного материала с высокой вязкостью разрушения. Способ получения керамического материала включает формование прессовки из плазмохимического порошка, представляющего собой смесь порошков диоксида циркония и оксида алюминия, и термообработку. Армирующие волокна получают в процессе термообработок, которые осуществляют в две стадии. На первой стадии в процессе отжига прессовки в засыпке при температуре 1000-1200°С в течение 8-12 часов синтезируют центры кристаллизации α-Al₂О₃ путем направленной кристаллизации оксида алюминия из пересыщенного твердого раствора. Затем прессовку извлекают из засыпки и проводят ее спекание в вакууме при температуре 1500-1700°С с изотермической выдержкой 1-7 часов для окончательного формирования армирующих волокон. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области композиционных керамических материалов, в частности к материалам, армированным дискретными керамическими волокнами, которые могут быть использованы для получения керамических материалов конструкционного назначения в космической, авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности.

Известен керамический материал и способ получения керамического материала, армированного волокнами Si/C/B/N (патент РФ №2184715, С 04 В 35/83, С 04 В 35/573, С 04 В 41/88 от 2002.07.10), реакционно связанными с матрицей на кремниевой основе, который включает в себя следующие операции:

пропитку пучков волокнистого материала, в частности из волокон Si/C/B/N, способным к пиролизу вяжущим материалом, и упрочнение вяжущего материала;

приготовление смеси из пучков волокнистого материала, наполнителей и вяжущих материалов;

прессование смеси для получения сырца;

пиролиз сырца в вакууме или в атмосфере защитного газа для получения пористой формованной заготовки;

инфильтрацию формованной заготовки расплавом кремния.

Кроме того, в данном изобретении решается вопрос получения материала, армированного высокожаропрочными волокнами, в частности на основе Si/C/B/N, реакционно-связанными с матрицей на кремниевой основе, причем в матрицу впрессованы статистически распределенные коротковолокнистые пучки, состоящие из составленных в пучки отдельных волокнистых элементарных нитей со значительным содержанием отдельных нитей, причем коротковолокнистые пучки окружены, по меньшей мере, по краям слоем углерода, полностью или частично вступившего в реакцию с металлическим или полуметаллическим материалом матрицы.

Недостатком данного способа является увеличение технологических операций при производстве армированного керамического материала. Также в предлагаемом способе предусматривается использование готового армирующего волокна, которое проходит дополнительные операции по подготовке его к формованию и дальнейшей пропитке и прессованию.

Известен способ получения микроволокон в порошках ZrO₂(Y₂O₃) - Al₂O₃ плазмохимического синтеза (Metastsble phase formation in plasma-sprayed ZrO₂(Y₂O₂) - Al₂O₃, Journal of the American Ceramic Society, 2003, vol.86, №8, p-p.1415-1420.). В предлагаемом способе микроволокна формируются в процессе получения порошка при быстром охлаждении.

Недостатком данного способа является то, что авторам удалось получить микроволокна только в порошке. Сохранить микроволокона в компактном материале в данном способе не удается.

Известен способ изготовления керамического материала на основе оксида циркония, армированного дискретными волокнами оксида алюминия (US 5948516, кл. В 32 В 17/00, С 04 В 35/80, опубл. 07.09.1999), включающий получение прессовки, промежуточную термообработку и спекание при 1500-1600°С в течение порядка 2-3 часов.

Недостатком известного способа изготовления керамического композита является многокомпонентность и многослойность покрытий, что усложняет процесс изготовления материала, а также контроль его фазового состава. Учитывая то, что толщина каждого слоя фосфата металла и последующих керамических слоев не превышает 1-500 мкм, это затрудняет процесс армирования слоев дискретными волокнами.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения керамического материала на основе диоксида циркония, армированного дискретными волокнами оксида алюминия, причем армирующие волокна формируют в процессе получения керамического материала. При этом керамический материал, полученный по предлагаемому способу, обладает повышенными механическими свойствами, а именно высокой вязкостью разрушения.

Для достижения указанного технического результата в способе получения керамического материала на основе диоксида циркония, армированного дискретными волокнами оксида алюминия, включающего формование прессовки с последующими ее термообработками, в качестве исходного порошка используют плазмохимический керамический порошок, состоящий из смеси порошков диоксида циркония и оксида алюминия, а армирующие волокна получают в процессе термообработок, которые осуществляют в две стадии: на первой стадии в процессе отжига прессовки в засыпке, которую проводят в температурном интервале 1000-1200°С синтезируют центры кристаллизации α-Al₂O₃, из которых в дальнейшем вырастают волокна, путем направленной кристаллизации оксида алюминия из пересыщенного твердого раствора при изотермической выдержке на воздухе 8-12 часов, затем прессовку извлекают из засыпки и проводят ее спекание в вакууме при температуре 1500-1700°С с изотермической выдержкой 1-7 часов для окончательного формирования армирующих волокон.

Кроме того, используют смесь порошков диоксида циркония и оксида алюминия в следующем соотношении компонентов, вес.%: диоксид циркония 60-80, оксид алюминия 20-40.

Кроме того, в качестве засыпки используют порошок оксида алюминия.

В данном способе получения керамического материала, заключающийся в формовании прессовки, ее отжиге в засыпке и последующем окончательном спекании, в вакууме предлагается использовать плазмохимический керамический порошок, состоящий из смеси порошков ZrO₂ и Al₂О₃ (ТУ - 2320-001-07622928-96).

В композиционный плазмохимический порошок (ZrO₂, Al₂О₃) вводят пластификатор, например поливиниловый спирт, и далее прессуют изделие. Отпрессованное изделие помещают в емкость и засыпают порошком, например Al₂О₃. Емкость помещают в воздушную печь и производят нагрев до температуры 1000-1200°С и делают изотермическую выдержку в течение 8-12 часов. За счет сложной морфологии смеси плазмохимического порошка и выгорания связки (поливинилового спирта) в порошковой прессовке будет формироваться равномерное поровое пространство, способствующее созданию зародышей фазы α-Al₂О₃. В процессе изотермической выдержки происходит направленная кристаллизация α оксида алюминия в виде зародышей волокон. После окончания отжига прессовки извлекаются из порошковой засыпки, и проводится окончательное спекание в вакууме. При этом спекание проводят преимущественно при температурах 1500-1700°С в течение 1-7 часов. В процессе такого спекания происходит дальнейший непосредственный рост волокон, но уже за счет распада сильно неравновесного твердого раствора на основе Al₂О₃(ZrO₂) и (ZrO₂)Al₂O₃. Повышенные температуры обеспечивают достаточную диффузионную подвижность атомам, что приводит по мере увеличения выдержки при фиксированной температуре спекания к окончательному формированию волокон оксида алюминия и получению плотного керамического материала.

Пример №1

В плазмохимический порошок 20% Al₂О₃-ZrO₂ вводят 3% поливинилового спирта, прессуют образцы, помещают их в керамическую емкость, засыпают порошком оксида алюминия марки Г00. Емкость с образцами ставят в воздушную печь и проводят нагрев до температуры 1000°С с изотермической выдержкой 12 часов. В процессе такой изотермической выдержки метастабильные фазы оксида алюминия - γ и θ переходят в стабильную - α фазу. После окончания выдержки образцы остывают вместе с печью. Далее образцы извлекаются из порошковой засыпки оксида алюминия и подвергаются окончательному спеканию в вакууме при температуре 1700°С в течение 1 часа, где и происходит окончательное формирование волокон оксида алюминия и синтез плотного керамического материала.

Пример №2

В плазмохимический порошок 40% Al₂О₃-ZrO₂ вводят 3% поливинилового спирта, прессуют образцы, помещают их в керамическую емкость, засыпают порошком оксида алюминия марки Г00. Емкость с образцами ставят в воздушную печь и проводят нагрев до температуры 1200°С с изотермической выдержкой 8 часа. После окончания выдержки образцы остывают вместе с печью. Далее образцы извлекаются из порошковой засыпки оксида алюминия и подвергаются окончательному спеканию в вакууме при температуре 1500°С в течение 7 ч.

Пример №3

В плазмохимический порошок 30% Al₂О₃-ZrO₂ вводят 3% поливинилового спирта, прессуют образцы, помещают их в керамическую емкость, засыпают порошком оксида алюминия марки Г00. Емкость с образцами помещают в воздушную печь и проводят нагрев до температуры 1100°С с изотермической выдержкой 10 часов. По окончании выдержки образцы остывают вместе с печью. Далее образцы извлекаются из порошковой засыпки оксида алюминия и подвергаются окончательному спеканию в вакууме при температуре 1600°С в течение 3 ч.

Предложенное техническое решение позволяет получать керамический материал, армированный дискретными волокнами размером 5-8 мкм.

Изготовленные по предлагаемой технологии керамические материалы на основе плазмохимических порошков, армированные волокнами оксида алюминия, обладают повышенными механическими свойствами, а именно повышенной вязкостью разрушения.

1. Способ получения керамического материала на основе диоксида циркония, армированного дискретными волокнами оксида алюминия, включающий формование прессовки с последующими ее термообработками, отличающийся тем, что в качестве исходного порошка используют плазмохимический керамический порошок, состоящий из смеси порошков диоксида циркония и оксида алюминия, а армирующие волокна получают в процессе термообработок, которые осуществляют в две стадии: на первой стадии в процессе отжига прессовки в засыпке, которую проводят в температурном интервале 1000-1200°С, синтезируют центры кристаллизации α-Al₂O₃, из которых в дальнейшем вырастают волокна, путем направленной кристаллизации оксида алюминия из пересыщенного твердого раствора при изотермической выдержке на воздухе 8-12 ч, затем прессовку извлекают из засыпки и проводят ее спекание в вакууме при температуре 1500-1700°С с изотермической выдержкой 1-7 ч для окончательного формирования армирующих волокон.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют смесь порошков диоксида циркония и оксида алюминия в следующем соотношении компонентов, вес.%: диоксид циркония 60-80, оксид алюминия 20-40.

3. Способ получения керамического материала по п.1, отличающийся тем, что в качестве засыпки используют порошок оксида алюминия.