Способ получения керамического изделия


 


Владельцы патента RU 2486159:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)

Изобретение относится к способам получения керамических материалов, предназначенных для высокотемпературных изделий конструкционного назначения, таких как элементы камеры сгорания и соплового аппарата газотурбинного двигателя. Способ получения керамического изделия на основе муллита, содержащего 5-20 мас.% оксида циркония, включает приготовление керамического порошка соосаждением растворов гидролизованного тетраэтоксисилана, хлорида алюминия и золя оксида циркония с последующей термообработкой и измельчением, формование и спекание. Спекание проводят при температуре 1670-1750°C со скоростью нагрева от 412,4 до 432,5°C в час, а выдержку при температуре обжига производят до завершения процесса усадки. Технический результат изобретения - получение керамического материала, обладающего пониженной плотностью, теплопроводностью, и повышенной термостойкостью, что позволит повысить термическую эффективность и ресурс камер сгорания газотурбинных двигателей. 4 пр., 1 табл.

 

Изобретение относится к способам получения высокотемпературных керамических изделий конструкционного назначения, таких как элементы камеры сгорания и соплового аппарата газотурбинного двигателя (ГТД).

Известен способ получения устойчивого к перепаду температур керамического материала на основе муллита, включающий смешивание порошка керамического материала, являющегося прекурсором матричного материала, с соединениями, способными образовывать в процессе реакции с керамическим порошком оксид циркония, оксид гафния или их смесь, спекание полученной смеси при температуре ниже температуры реакции и термообработку спеченного изделия при температуре реакции, в результате чего прекурсор керамического материала превращается в матричный материал, в котором образуются частицы оксида циркония (Патент США №4421861).

Недостатком данного способа является необходимость высокотемпературного реакционного спекания, при котором происходит неуправляемый рост кристаллов, приводящий к снижению механических свойств материала.

Известен способ получения керамического материала на основе муллита, содержащего оксиды, фториды, хлориды редкоземельных или щелочноземельных металлов и одно из соединений ванадия, ниобия или тантала в качестве спекающей добавки, включающий приготовление порошковой смеси исходных порошковых компонентов, ее механическое диспергирование путем помола в жидком носителе, формование заготовки и ее спекание при температуре 1300-1850°С (Патент США №5294576).

Недостатком данного способа является использование спекающих добавок, частично удаляемых в процессе спекания. При высокотемпературном спекании массивных заготовок летучие компоненты исходной смеси имеют ограниченные возможности диффузии из центральных частей материала, поэтому внутри заготовки возможно образование зон с высоким остаточным содержанием добавки, что приводит к существенной неоднородности свойств получаемого материала по толщине и вызывает резкое снижение его механических свойств при высоких температурах. Известным способом невозможно изготовить высокотемпературные изделия конструкционного назначения.

Известен способ получения керамического изделия, включающий приготовление керамического порошка в виде преимущественно аморфной фазы (65-90 мас.%), содержащего 75-85 мас.% Al2О3, остальное - SiO2, его формование и спекание при температуре 1500-1650°С. Исходный порошок получают парофазным окислением смеси хлоридов алюминия и кремния при температуре 1800-2100°C с последующим охлаждением порошкового материала со скоростью более 5×103°С/сек (Патент США №4960738).

Недостатком данного способа является то, что полученное керамическое изделие в результате спекания имеет плотную беспористую структуру, повышенный удельный вес и теплопроводность и пониженную термостойкость (стойкость к распространению трещин при термоциклировании).

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является способ получения керамического изделия, включающий приготовление керамического порошка на основе муллита, содержащего 1-2 5 мас.% оксида циркония, путем смешения гидролизованного тетраэтоксисилана с хлоридом алюминия и золем оксида циркония, их гелирование и сушку с последующей термообработкой и измельчением полученной заготовки, формование керамического порошка, сушку и обжиг изделия при температуре 1700°С в течение 1 часа (Патент РФ №2292320).

Недостатком данного способа является то, что он не регламентирует скорость нагрева при обжиге и не обеспечивает получение закрытой пористости в изделии, способствующей снижению его теплопроводности и удельного веса и повышению стойкости к распространению трещин при термоциклировании.

Технической задачей изобретения является разработка способа получения керамического изделия с закрытой пористостью и соответственно с пониженной плотностью, теплопроводностью и повышенной термостойкостью.

Для решения поставленной задачи предложен способ получения керамического изделия, включающий приготовление керамического порошка на основе муллита, содержащего 5-20 мас% оксида циркония, путем соосаждения растворов гидролизованного тетраэтоксисилана, хлорида алюминия и золя оксида циркония с последующей термообработкой и измельчением полученной заготовки, формование керамического порошка, сушку и обжиг керамического изделия, отличающийся тем, что обжиг проводят при температуре 1670-1750°C со скоростью нагрева от 412,5 до 432,5°C/час, а выдержку при температуре обжига производят до завершения процесса усадки.

Предложенный режим спекания при температуре 1670-1750°C при скорости нагрева 412,5-432,5°C/час и выдержке при этой температуре до завершения процесса усадки обеспечивает получение закрытой, округлой, равномерно распределенной мелкой пористости в изделии из керамического композиционного материала, при этом на поверхности изделия образуется плотная гладкая корка, лишенная открытой пористости. Благодаря быстрому нагреву изделия при обжиге в поверхностных слоях материала происходит усадка и уплотнение с образованием плотного поверхностного слоя, препятствующего выходу паров, и при дальнейшей термообработке также происходит усадка во внутренних слоях изделия с образованием закрытых пор. Закрытые поры служат блокираторами возникающих в процессе эксплуатации трещин. В результате изделие имеет пониженную плотность и теплопроводность, повышенную термостойкость и защищено от проникновения в материал изделия влаги и горючих жидкостей, т.е. обеспечено получение высокотемпературного изделия конструкционного назначения, например теплозащитных элементов обшивки камер сгорания и сопловых аппаратов ГТД. Наличие закрытых пор также позволяет уменьшить коробление полученного материала при спекании и, соответственно, получить изделие заданной геометрической формы.

Примеры осуществления

Керамический порошок приготавливали в соответствии со способом, описанным в прототипе. Растворы, содержащие тетраэтоксисилан и хлорид алюминия, смешивали до образования прозрачной смеси и добавляли водную суспензию порошка оксида циркония с размером частиц 100-200 нм. После тщательного перемешивания проводили гелирование полученной смеси при комнатной температуре путем добавления ее в избыток аммиака при непрерывном перемешивании. Полученный осадок отфильтровывали, сушили и термообрабатывали при температуре 1050°C и измельчали до получения частиц размером не более 1 мкм. Полученный керамический порошок использовали для получения керамического изделия.

Пример 1

Из 100 г керамического порошка состава 80 мас.% микрокристаллического муллита (3Al2O3·2SiO2) и 20 мас.% оксида циркония (ZrO2) в стальной разъемной форме получали прессованием диски диаметром 105 мм и толщиной 5 мм. Диски сушили при температуре 120°C в течение 1 часа и спекали по режиму: нагрев до 1750°С в течение 4 часов, выдержка при этой температуре до завершения процесса усадки.

Теплопроводность измеряли при 20°С. Термостойкость определяли, испытывая образец на термоциклирование от 1200 до 20°С до появления первых трещин, плотность и пористость определяли гидростатическим взвешиванием. Результаты испытаний приведены в таблице.

Пример 2, 3, 4 проводили аналогично примеру 1, см.таблицу.

Пример 5 (по прототипу)

Брали керамический порошок, содержащий 80 мас.% муллита и 20 мас.% оксида циркония. Формовали заготовку методом водного шликерного литья, сушили ее и проводили обжиг по режиму: нагрев до 1700°C со скоростью 100°C/час, выдержка 1 час.

Результаты испытаний приведены в таблице.

Из таблицы видно, что керамическое изделие, полученное предлагаемым способом, имеет плотность на 7,5-16,3% и теплопроводность на 7,6-34% ниже, чем у прототипа. Предлагаемое изделие способно выдержать без разрушения на (40-90)% больше количество термоциклов. Материал имеет закрытую пористость, препятствующую распространению трещин, и при этом не имеет открытой пористости, то есть защищен от проникновения влаги и горючих жидкостей в объем материала изделия.

Использование изделий, полученных предлагаемым способом, позволит повысить термическую эффективность и ресурс камер сгорания газотурбинных двигателей.

Таблица
Пример Состав материала, мас.% Температура обжига, °С Скорость нагрева при обжиге, °С/час Плотность, г/см3 Теплопроводность, Вт(м·K) Количество термоциклов 1200-20°С Пористость, %
открытая закрытая
муллит ZrO2
1 80 20 1750 432,5 3,05 4,30 50 1 10,5
2 80 20 1670 412,5 3,0 4,85 52 0,5 11
3 95 5 1720 425 2,82 3,90 >60 0,5 13
4 90 10 1670 412,5 3,0 4,25 55 0,5 11
5 прототип 80 20 1700 100 3,28 5,25 30 1,5 3

Способ получения керамического изделия, включающий приготовление керамического порошка на основе муллита, содержащего 5-20 мас.% оксида циркония, путем соосаждения растворов гидролизованного тетраэтоксисилана, хлорида алюминия и золя оксида циркония с последующей термообработкой и измельчением полученной заготовки, формование керамического порошка, сушку и обжиг керамического изделия, отличающийся тем, что обжиг проводят при температуре 1670-1750°C со скоростью нагрева от 412,5 до 432,5°C/ч, а выдержку при температуре обжига проводят до завершения процесса усадки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам получения микро- и нанопористой керамики и может быть использовано в машиностроении, химической промышленности, энергетике для получения фильтрующих материалов, носителей катализаторов и компонентов пористых систем со специальными свойствами.
Изобретение относится к способам получения исходных композиционных порошков для жаропрочных керамических материалов, предназначенных для изготовления химически стойких высокотемпературных изделий, в частности, композиционного материала муллит - оксид циркония.

Изобретение относится к способам получения высокотемпературных керамических материалов на основе титаната алюминия золь-гель методом и может быть использовано в автомобилестроении, машиностроении, при изготовлении композиционных материалов для космической и авиационной техники.

Изобретение относится к области xи ичecкoй технологии, а именно к получению связующих, и может быть использовано при получении изделий на основе огнеупорных наполнителей, в том числе легковесных.

Изобретение относится к области химической технологии и материаловедения и может быть использовано для получения керамических материалов на основе муллита. .
Огнеупор // 2448927
Изобретение относится к области производства огнеупоров с высокой излучательной способностью и предельной температурой длительного использования и может найти применение в металлургической теплотехнике, высокотемпературных установках и камерах сгорания.
Изобретение относится к производству огнеупорных изделий, а именно к составам для изготовления элементов футеровок, используемых в конструкции вагонеток туннельных печей для обжига керамических изделий, а также огнеупорных изделий, применяемых, в частности, при литье лопаток из жаропрочных сплавов для газотурбинных двигателей, а именно: тиглей, коробов, охранных стаканов, литейных форм и стержней сложной конфигурации, с температурой обжига 1550-1600°С.
Изобретение относится к упрочненным керамическим изделиям с высокой пористостью, пригодным для изготовления фильтров. .
Изобретение относится к области теплозащитных материалов. .

Изобретение относится к технологии получения огнеупорных керамических материалов, в частности кирпича для кладки различных тепловых агрегатов. .
Изобретение относится к области химической технологии, технологии силикатных и тугоплавких неметаллических материалов. .
Изобретение относится к способам получения муллита и может быть использовано для производства муллита игольчатых форм из топазового концентрата. .

Изобретение относится к огнеупорной промышленности, в частности к производству огнеупорных изделий для воздухонагревателей, воздухопроводов горячего дутья доменных печей и прочих тепловых агрегатов.
Изобретение относится к области технологии силикатов и материаловедения. .

Изобретение относится к технологии изготовления огнеупорных изделий для металлургической промышленности, более конкретно к системе производства огнеупорных изделий для литьевых установок, и может найти применение при изготовлении углеродсодержащих стопорных пробок, стаканов-дозаторов, стопоров-моноблоков, труб для защиты струи металла при непрерывной разливке стали и др. Система производства огнеупорных изделий содержит отделения, снабженные автоматизированным оборудованием для подготовки компонентов шихты, подготовки фосфатного связующего, смешивания компонентов шихты и связующего в виде однородной суспензии, формовки полуфабрикатов изделий и их термической обработки, блоки питания и управления. Первое отделение подготовки компонентов шихты содержит оборудование для помола компонентов шихты на основе алюмосиликатного сырья по фракциям и накопительную емкость для высокодисперсного углеродсодержащего компонента. Второе отделение подготовки фосфатного связующего содержит оборудование для получения водного раствора ортофосфорной кислоты или ее металлофосфатных соединений. Выходы первого и второго отделений через дозаторы соединены с входами третьего отделения для смешивания указанных компонентов шихты и фосфатного связующего в виде однородной суспензии, при этом выход третьего отделения соединен через первое транспортирующее средство с входом четвертого отделения для формовки полуфабрикатов изделий, включающего прессовое оборудование для заполнения и уплотнения набора типовых форм, выполненных из нержавеющей стали и оснащенных набором приспособлений для чистовой механической обработки отформованных полуфабрикатов изделий. Выход четвертого отделения соединен через второе транспортирующее средство с входом пятого отделения термической обработки полуфабрикатов, включающего последовательно соединенные сушильную камеру, туннельную обжиговую печь с возможностью поддержания в ее средней части рабочей температуры 400-500°C и леер для отжига выходящих из печи изделий для литьевых установок. Первое отделение может содержать оборудование для помола и разделения алюмосиликатного сырья по фракциям: 500-1000 мкм - 40-50%, 200-500 мкм - 10-20%, менее 200 мкм - 5-10%. Сырьевые компоненты смешивают в следующем соотношении, мас.%: алюмосиликатное сырье 74-80, алюмохромфосфатное связующее 8-16, углеродсодержащий компонент (таурит или технический углерод П-803) - остальное. Техническим результатом изобретения является создание эффективной и удобной в эксплуатации системы производства огнеупорных изделий различной номенклатуры для литьевых установок из сравнительно дешевых видов сырья, обладающих гарантированными структурными, геометрическими, механическими и теплофизическими характеристиками. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ получения керамики на основе диоксида циркония может быть использован в реставрационной стоматологии. Из исходных реагентов в виде водных растворов оксинитрата циркония (ZrO(NO3)2·2H2O), нитратов иттрия (Y(NO3)3·6H2O), алюминия (Al(NO3)3·9H2O) и водного раствора аммиака обеспечивают совместное осаждение гидроксидов циркония, иттрия и алюминия, гелеобразные осадки которых фильтруют и замораживают при температуре минус 20-25°С с образованием ксерогелей, которые подвергают процессу кристаллизации при температуре от 400°С до 500°С. Осуществляют формование полученных нанопорошков-прекурсоров методом двустороннего статического прессования при давлении 150 МПа без добавления связующего и обжиг в интервале температур 1100-1300°С с изотермической выдержкой в течение 2 ч, после чего керамические образцы удаляют из печи и подвергают быстрому охлаждению. Способ обеспечивает получение нанокристаллических порошков с требуемой размерной однородностью и химической чистотой состава, при этом снижается температура синтеза и спекания продукта, уменьшается продолжительность процесса фазообразования. Способ может быть осуществлен на типовом оборудовании и не требует дорогих реагентов. 2 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области производства оптических материалов. Технический результат изобретения заключается в повышении оптической прозрачности в УФ и ИК-областях спектра, механической прочности. Способ получения оптической нанокерамики на основе оксида алюминия включает приготовление коллоидного раствора из высокодисперсного порошкового γ-Al2O3 путем его диспергирования с использованием ультразвука, закисления лимонной кислотой и использования формамида в качестве загустителя, включая дополнительную обработку ультразвуком. Приготовленный золь помещают в емкость, выдерживают до образования полупродукта - гелевой заготовки, которую подвергают термообработке. Полученный полупродукт - гелевую заготовку - измельчают, повторно подвергают гелированию при различных значениях pH, последующей термообработке до образования ксерогеля, который дополнительно термообрабатывают и спекают при температуре 1800-1900°C. 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к способу получения прозрачной керамики алюмоиттриевого граната (ИАГ), в том числе легированной ионами редкоземельных металлов (Nd, Yb, Tm, Но, Er), которая может быть использована в качестве активной лазерной среды, либо люминофоров и сцинтилляторов (при легировании ионами Ce, Pr, Tb, Eu, Sm). В способе золь-гель методом получают порошки ксерогеля примерного состава [Y3Al5O5(ОН)10.93(СН3СОО)3(NO3)0.07]·nH2O, которые подвергают размолу в планетарной мельнице и просеивают через сито с размером ячейки 100 мкм. Порошок ксерогеля, прошедшего через сито, помещают в пресс-форму и компактируют при давлении 200 МПа. Полученный компакт нагревают со скоростью 0,06 К/мин до 600°C, затем со скоростью 5 К/мин до 1200°C в кислородсодержащей атмосфере и выдерживают при этой температуре 0,5 часа. Затем компакт помещают в вакуумную печь, где нагревают со скоростью 10 К/мин до 1800°C и выдерживают при этой температуре 4 часа. Полученный образец отжигают на воздухе при температуре 1300°C 1 час, затем шлифуют и полируют поверхности. Получают прозрачную керамику алюмоиттриевого граната, имеющую пропускание на длине волны 1064 нм 83,6%, заменой чистого нанопорошка оксида иттрия нанопорошком оксида иттрия, легированного ионами редкоземельных металлов (Nd, Yb, Tm, Но, Er, Ce, Pr, Tb, Eu, Sm) в количестве до 10 мол.%, получают керамику ИАГ, легированную ионами редкоземельных элементов и пригодную для использования в качестве лазерного или сцинтилляционного материала. Технический результат от использования изобретения заключается в упрощении технологии керамики ИАГ. 2 пр.
Наверх