Способ получения керамического градиентного материала

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению градиентых керамических материалов на основе диоксида циркония. Высокодисперсный порошок в виде пересыщенных твердых растворов на основе ZrO₂ с растворенными в нем компонентами, выбранными из группы оксидов-стабилизаторов тетрагональной фазы, подвергают прессованию при давлении 550-800 МПа и спеканию при 1500-1700°С с выдержкой в течение 1-5 часов. Полученный материал обладает повышенной устойчивостью к термическим воздействиям. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 пр.

 

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления керамических материалов на основе диоксида циркония с повышенной устойчивостью к термическим воздействиям.

Известны способы получения градиентных материалов, заключающиеся:

- в последовательном нанесении слоев из различных порошков и их селективном спекании [1];

- в прессовании и спекании каркаса из порошка карбида титана с последующей пропиткой никелидом титана и легированием железом с целью создания градиентной структуры [2];

- в последовательном нанесении слоев из различных порошков и селективном спекании заданных областей каждого слоя. Нанесение слоев производится с помощью устройства, контролирующего их толщину и область спекания, при этом получают несколько областей из разных порошков в одной плоскости [3].

К недостаткам перечисленных способов можно отнести следующее.

Способ [1] не позволяет получить спеченные области из различных порошков, лежащих в одной плоскости, что обуславливает наличие границ раздела в микрообъемах изделия, а недостатком способов [2, 3] является многостадийность технологического процесса получения градиентного материала.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения композиционных материалов с градиентной структурой [4].

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для армирования износостойкого инструмента. Способ включает приготовление шихты, прессование и спекание в засыпке, при этом шихту готовят из соединений, выбранных из группы, состоящей из карбидов, оксикарбидов, карбонитридов, нитридов с добавлением сталей или сплавов, содержащих элементы, способные испаряться в процессе спекания, а спекание проводят в вакууме при 1200-1500°C с выдержкой 10-300 мин, при этом одна из поверхностей прессовки свободна от засыпки. Изобретение позволяет получить композиционный материал с градиентной структурой, обладающий повышенной твердостью, прочностью и износостойкостью рабочей поверхности изделия. Недостатками прототипа является многостадийность технологического процесса и ограниченность способа по использованию в качестве материала пропитки только металлов с температурой плавления в диапазоне от 1200 до 1500°С.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке способа получения керамического материала с градиентной структурой, обеспечивающей повышенную устойчивость к термическим воздействиям. Предлагаемый способ в отличие от прототипа содержит минимум технологических операций, и отсутствуют границы раздела по объему получаемого материала.

Указанный технический результат достигается тем, что способ получения керамического градиентного материала заключается в прессовании заготовки и ее спекании. В качестве исходного материала используют высокодисперсный порошок в виде пересыщенных твердых растворов на основе ZrO₂ с растворенными в нем компонентами, выбранными из группы оксидов-стабилизаторов тетрагональной фазы, при этом прессование заготовки проводят при давлении 550-800 МПа, а спекание при температурах 1500-1700°C с выдержкой в течение 1-5 часов.

В предлагаемом способе используют высокодисперсный порошок с размером частиц менее 1 мкм, оксид-стабилизатор с низким парциальным давлением паров, высокодисперсный порошок пересыщенных твердых растворов на основе ZrO₂ с растворенными в нем компонентами оксидами-стабилизаторами, полученный методом термического разложения в плазме высокочастотного разряда.

Способ получения керамического градиентного материала заключается в использовании порошка пересыщенных твердых растворов на основе ZrO₂, стабилизированного компонентами, выбранными из группы оксидов-стабилизаторов с низким парциальным давлением паров. Исходный порошок получали методом термического разложения водных растворов соли циркония и соли стабилизирующей добавки в плазме высокочастотного разряда, обеспечивающим высокое пересыщение твердых растворов, большие скорости реакций и конденсационных процессов с целью получения развитых границ зерен, обеспечивающих диффузию и испарение оксидов-стабилизаторов.

Прессование заготовки проводят при давлении 550-800 МПа, а спекание при температурах 1500-1700°C с выдержкой в течение 1-5 часов.

Исходный керамический порошок содержит оксид-стабилизатор с низким парциальным давлением паров.

В частности:

- используют высокодисперсный порошок твердых растворов на основе ZrO₂ с растворенным в нем компонентом MgO более 9 мол.%;

- используют высокодисперсный порошок твердых растворов на основе ZrO₂ с растворенным в нем компонентом Y₂O₃ более 5 мол.%;.

- используют высокодисперсный порошок твердых растворов на основе ZrO₂ с растворенным в нем компонентом СаО более 20 мол.%.

Согласно диаграммам состояния систем ZrO₂-MgO, ZrO₂-Y₂O₃, ZrO₂-СаО, твердые растворы на основе диоксида циркония с концентрацией растворенных компонентов MgO более 9 мол.%, Y₂O₃ более 5 мол.%, СаО более 20 мол.% являются пересыщенными твердыми растворами.

Изобретение иллюстрируется фигурой 1, на которой изображено изменение соотношения высокотемпературных кубической, тетрагональной и низкотемпературной моноклинной фаз ZrO₂ в объеме образцов составов: а - ZrO₂ (3 вес.% MgO); б - ZrO₂ (10 вес.% MgO); в - ZrO₂ (15 вес.% MgO); г - ZrO₂ (20 вес.% MgO). На фиг.1 представлено, что керамический материал на основе ZrO₂ (MgO), полученный по предлагаемому способу, обладает постепенно изменяющимся по мере удаления от поверхности в объем соотношением высокотемпературных кубической, тетрагональной и низкотемпературной моноклинной фаз.

Примеры конкретного выполнения

Пример №1

Для получения керамического градиентного материала берут высокодисперсный керамический порошок твердого раствора ZrO₂-MgO, с количеством растворенного компонента оксида-стабилизатора MgO не менее 9 мол.%. Из керамического порошка твердого раствора ZrO₂-MgO формуют при давлении 550 МПа заготовку, затем спекают ее при температуре 1700°C с изотермической выдержкой 1 час. Устойчивость полученного керамического градиентного материала при циклических выдержках при температуре 1600°С не менее 50 циклов.

Пример №2

Для получения керамического градиентного материала берут высокодисперсный порошок твердого раствора ZrO₂-Y₂O₃, с количеством растворенного компонента оксида-стабилизатора Y₂O₃ не менее 5 мол.%. Из керамического порошка твердого раствора ZrO₂-Y₂O₃ формуют при давлении прессования 660 МПа заготовку, затем ее спекают при температуре 1650°C с изотермической выдержкой 2,5 часа. Устойчивость полученного керамического градиентного материала при циклическом нагружении в режиме «нагрев до 1000°С - охлаждение в воду» - не менее 150 циклов.

Пример №3

Для получения керамического градиентного материала берут высокодисперсный порошок твердого раствора ZrO₂-СаО, с количеством растворенного компонента оксида-стабилизатора СаО не менее 20 мол.%. Из керамического порошка твердого раствора ZrO₂-СаО формуют при давлении прессования 800 МПа заготовку, затем ее спекают при температуре 1500°C с выдержкой 5 часов. Устойчивость полученного керамического градиентного материала при циклических высокотемпературных нагружениях при 1400°C не менее 50 циклов.

Источники информации

1. Wang, Chunchau, Hu, Yiadong. Cu/Fe Powder Gradient Material Sintering by Laser Processing//Proceedings SPIE. Vol.3550. Pp.60-64. 1998.

2. Сивоха В.П., Рудай В.В. и др. Композиционные материалы TiC-NiTi с градиентной структурно-неустойчивой матрицей / Физическая мезомеханика, 2004, 7 спец. Выпуск Ч.1, с.241-244.

3. Патент РФ №2401180, B22F 3/105, B23K 26/16, опубл. 10.10.2010.

4. Патент РФ №2164260, С22С 1/04, С22С 29/00, B22F 3/12, опубл. 20.03.2001.

1. Способ получения керамического градиентного материала, включающий прессование заготовки и ее спекание, отличающийся тем, что в качестве исходного материала используют высокодисперсный порошок в виде пересыщенных твердых растворов на основе ZrO₂ с растворенными в нем компонентами, выбранными из группы оксидов-стабилизаторов тетрагональной фазы, при этом прессование заготовки проводят при давлении 550-800 МПа и, а спекание при температурах 1500-1700°С с выдержкой в течение 1-5 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют высокодисперсный порошок с размером частиц менее 1 мкм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют оксид-стабилизатор с низким парциальным давлением паров.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют высокодисперсный порошок пересыщенных твердых растворов на основе ZrO₂ с растворенными в нем компонентами оксидами-стабилизаторами, полученный методом термического разложения в плазме высокочастотного разряда.