Ультравысокотемпературный керамический материал и способ его получения

Изобретение относится к области производства керамических материалов, в частности к технологии получения композиционных материалов на основе тугоплавких соединений для высокотемпературного применения в аэрокосмической технике. Технический результат заключается в получении ультравысокотемпературного керамического материала с однородной микропористой структурой и высокой термостойкостью при градиенте температур до 2370 К, способного работать в условиях высокоскоростного газодинамического воздействия окислительного потока. Ультравысокотемпературный керамический материал на основе микрочастиц диборида циркония ZrB2 или диборида гафния HfB2 дополнительно содержит не менее 2 мас.% микрочастиц оксида лантана La2O3. Способ получения ультравысокотемпературного керамического материала включает измельчение и смешивание порошков исходной шихты, сушку шихты, искровое плазменное спекание шихты при повышенных давлениях. Спекание осуществляют в вакууме при температурах 1850-2000оС, давлении не менее 40 МПа и времени выдержки при максимальной температуре не менее 3 мин. Такой способ позволяет получать материал с высокой плотностью, составляющей более 97% от теоретической, с низкой открытой пористостью не более 0,3% и обладающий высокой термической стойкостью при градиенте температур до 2370 К. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил., 2 пр.

 

Изобретение относится к области производства керамических материалов, в частности к технологии получения композиционных материалов на основе тугоплавких соединений для высокотемпературного применения в аэрокосмической технике.

Известны ультравысокотемпературный керамический композиционный материал на основе борида циркония-карбида кремния и способ его получения (CN 101891480, опубл. 24.11.2010 г).

Однако известный материал обладает недостаточно высокой окислительной стойкостью при температурах выше 1870 К.

Способ получения такого материала включает приготовление порошковых композиций ZrB2-SiC в соответствующих весовых соотношениях 80-20% и 70-30%, формование композиций в графитовой пресс-форме и горячее прессование заготовок при температуре 1900°С, давлении 30 МПа в течение 60 минут.

Недостатком полученного материала является невысокая окислительная стойкость компонента SiC при температурах выше 1870 К, а недостатком способа получения этого материала является длительное время выдержки при температуре спекания.

Известен также ультравысокотемпературный керамический композит (US 8409491, опубл. 02.04.2013 г.), включающий зерна матрицы диборидов циркония и гафния (HfB2, ZrB2) или другого борида, карбида или нитрида и др., окруженные однородно распределенными игольчатыми трубками или волокнами, например SiC, с высоким соотношением длина/диаметр. Игольчатые упрочняющие волокна составляют 5-30 об. % в полученной микроструктуре. Керамический композит представляет собой консолидированную массу зерен ZrB2 или HfB2, окруженных равномерно распределенными армирующими иголками с высоким соотношением длина/диаметр, по крайней мере, 10:1.

Однако такой материал обладает недостаточно высокой окислительной стойкостью армирующего компонента SiC и конечного продукта при температурах выше 1870 К.

Способ получения известного материала включает однородное смешивание порошка матрицы и прекурсора с последующим спеканием смеси методом горячего прессования. Давление в процессе горячего прессования диборидов циркония и гафния составляет 10-40 МПа, температура прессования - 1950-2150°С (2223, 15-2423, 15 К), длительность спекания - 30-90 мин.

Недостатком известного способа является длительное время выдержки при спекании материала и высокие температуры горячего прессования.

Известен также керамический материал для высокотемпературного применения и способ его изготовления (RU 2336245, опубл. 20.10.2008 г.).

Известный композиционный керамический материал для высокотемпературного применения содержит микрочастицы ZrB2 и ZrO2, дополнительно включает по первому варианту микрочастицы TiN и Y2O3 при следующем соотношении компонентов, мас. %: ZrB2 20-40, Y2O3 4,5-10, TiN 10-25,5, ZrO2 остальное, а по второму варианту - микрочастицы ZrN и Y2O3 при следующем соотношении компонентов, мас. %: ZrB2 20-40, Y2O3 4,5-10, ZrN 10-25,5, ZrO2 остальное.

Способ получения такого материала включает совместное измельчение приготовленной шихты в планетарной мельнице до дисперсности 1-3 мкм в среде безводного этилового спирта или ацетона, сушку шихты на воздухе при температуре 70-80°С с последующим горячим прессованием и спеканием при давлении 20-40 МПа и температуре 1600-1800°С (1873, 15-2073, 15 К).

Недостатком известного керамического материала и способа его получения является невысокая термическая стойкость получаемого материала в условиях воздействия окислительного потока при температурах выше 2000 К.

Наиболее близкими по технической сути к заявляемым являются ультравысокотемпературный керамический материал на основе микрочастиц диборида циркония ZrB2 или диборида гафния HfB2 и способ его получения (CN 101104561, опубл. 06.01.2008 г).

Недостатком известного материала и способа его получения является недостаточно высокая термическая стойкость получаемого керамического материала в условиях воздействия окислительного потока при температурах выше 2000 K, что не позволяет использовать его в аэрокосмической технике.

Технический результат заключается в получении ультравысокотемпературного керамического материала с однородной микропористой структурой и высокой термостойкостью при градиенте температур до 2370 К, способного работать в условиях высокоскоростного газодинамического воздействия окислительного потока.

Согласно первому независимому пункту формулы изобретения, ультравысокотемпературный керамический материал, на основе микрочастиц диборида циркония ZrB2 или диборида гафния HfB2 дополнительно содержит микрочастицы оксида лантана La2O3.

Введение микрочастиц оксида лантана в шихту на основе микрочастиц диборида циркония ZrB2 или диборида гафния HfB2 с целью получения высокотемпературного керамического материала с однородной микропористой структурой и высокой термостойкостью при градиенте температур до 2370 К, способного работать в условиях высокоскоростного газодинамического воздействия окислительного потока, не известно из уровня техники.

Согласно п. 2 формулы материал содержит оксид лантана La2O3 в количестве не менее 2 мас.%.

При содержании микрочастиц оксида лантана в керамическом материале менее 2 мас.% снижается термостойкость материала. Это проиллюстрировано в таблице, приведенной ниже. Из таблицы видно, что термостойкость несколько снижается, если количество микрочастиц оксида лантана менее 2 мас.%.

Согласно п. 3 формулы в способе получения ультравысокотемпературного керамического материала на основе микрочастиц диборида циркония ZrB2 или диборида гафния HfB2, включающем измельчение и смешивание компонентов исходной шихты, сушку шихты, искровое плазменное спекание шихты в вакууме при повышенных температурах и давлениях, искровое плазменное спекание осуществляют при температурах 1850-2000°С, давлении не менее 40 МПа и времени выдержки при максимальных температурах не менее 3 минут.

Как показали экспериментальные исследования указанный способ позволяет получать материал с высокой плотностью, составляющей более 97% от теоретической, с низкой открытой пористостью не более 0,3% и обладающий высокой термической стойкостью при градиенте температур до 2370 К.

По экспериментальным данным наиболее высокие результаты получают в том случае, когда искровое плазменное спекание проводят при температурах 1850-2000°С со временем выдержки при максимальных температурах не менее 3 минут. При этом искровое плазменное спекание шихты осуществляют при давлении не менее 40 МПа.

В результате искровое плазменное спекание шихты при указанных условиях обеспечивает спекание микронных частиц во всем объеме материала, что формирует очень плотную структуру с очень большим числом прочно скрепленных между собой частиц. Это способствует синтезу ультравысокотемпературного керамического материала высокой плотности с низкой пористостью и высокой термостойкостью.

Кроме того, при достижении температуры спекания шихты желательно постепенное повышение напряжения до величины не более 7 В, а также постепенное повышение величины тока до величины не более 7500 А (пп. 4 и 5 формулы). Постепенное повышение напряжения электротока до величины не более 7 В и постепенное повышение величины тока до величины не более 7500 А способствует более качественному спеканию микрочастиц шихты. Импульсы тока, проходя через шихту, вызывают нагрев межзеренных границ исходного порошка и создают электрическое поле с эффектом плазмы при указанных величинах напряжения и тока в шихте.

При значениях напряжения более 7 В и величины тока более 7500 А расход электроэнергии возрастает, наблюдается газовыделение при спекании, а высокая эффективность влияния плазменного спекания на улучшение характеристик материала не обеспечивается.

На чертеже представлены фотографии микроструктур двух образцов материала, полученных заявляемым способом:

а - для шихты на основе микрочастиц ZrB2-La2O3,

б - для шихты на основе микрочастиц HfB2-La2O3.

Рентгеноспектральный анализ образцов а и б показал отсутствие отдельных частиц оксида лантана, а лантансодержащая фаза La2O3 равномерно распределена по всему объему керамического материала, что видно на чертеже.

При исследовании поверхности спеченных образцов на основе микрочастиц ZrB2-La2O3 и HfB2-La2O3 на электронном микроскопе не было обнаружено трещин и других макро-дефектов. Поверхность образцов ровная, структура однородная, все зерна плотно спеклись.

В образце а зерна ZrB2-La2O3 спеклись в агрегаты различной формы размерами 2-20 мкм. Присутствует микропористость, крупных пор не обнаружено.

В образце б зерна HfB2-La2O3 спеклись в агрегаты размерами 2-12 мкм. Структура менее плотная по сравнению с образцом а (ZrB2-La2O3.). Размер пор в среднем составил 5 мкм.

Ультравысокотемпературный керамический материал заявляемого состава получали при осуществлении заявляемого способа, как показано на примерах 1 и 2.

Пример 1

Керамические порошки в соотношении 98 мас.% микрочастиц борида циркония ZrB2, 2 мас.%. микрочастиц оксида лантана La2O3 смешивали и измельчали в среде этанола на планетарной мельнице до размеров частиц менее 3 мкм. Сушку полученной смеси проводили на воздухе при 70-80°С. Формование и спекание шихты осуществляли в одну стадию. Для этого спекаемый порошок помещали в цилиндрическую графитовую матрицу между двумя графитовыми пуансонами, к которым прикладывали электрическое напряжение и механическое давление. Порошок шихты подвергали искровому плазменному спеканию в вакууме при остаточном давлении 6-10 Па при постепенном увеличении давления прессования на поверхность спекаемого материала от 6 до 40 МПа и постепенном увеличении напряжения до величины 7 В и величины тока 7500 А. Напряжение электрического тока подавали в виде прямоугольных импульсов длительностью 40 миллисекунд с паузами между импульсами 7 миллисекунд.

Спекание начиналось при давлении 6 МПа, давление увеличивали до 40 МПа при температуре 1000°С. При прохождении электрического тока через пуансоны и матрицу происходил нагрев и одновременно одноосное прессование образца. Температуру в процессе спекания повышали постепенно до 1850-1900°С, время выдержки при максимальной температуре составило 3 мин. Далее осуществляли постепенное охлаждение материала до комнатной температуры. Скорость нагрева составляла 80 градусов в минуту, остывания - 150 градусов в минуту. При остывании давление уменьшали до 25 МПа (в начале процесса остывания) и до 6 МПа при температуре 600°С.

У полученного керамического материала исследовали по стандартизованным методикам плотность, открытую пористость при комнатной температуре и определяли термостойкость в газодинамическом потоке окислительной среды (смесь кислорода и ацетилена) при температуре 2370 К. Полученный ультравысокотемпературный керамический материал обладал высокой плотностью 5,95 г/см3, составляющей 97,5% от теоретической, а также низкой открытой пористостью 0,3% и высокой термической стойкостью при градиенте температуры до 2370 К.

Пример 2

Керамические порошки в соотношении 98 мас.% микрочастиц борида гафния ZrB2, 2 мас.% микрочастиц оксида лантана La2O3 измельчали и смешивали в среде этанола на планетарной мельнице до размеров частиц менее 3 мкм. Сушку полученной смеси проводили на воздухе при 70-80°С.

Спекание шихты на основе микрочастиц борида гафния ZrB2 и микрочастиц оксида лантана La2O3 осуществляли аналогично примеру 1 с тем отличием, что температуру в процессе спекания повышали постепенно до 1850-2000°С, время выдержки при максимальной температуре составило 4 мин. Полученный ультравысокотемпературный керамический материал обладал плотностью 9,06 г/см3, составляющей 80,9% от теоретической, открытой пористостью 12,3% и высокой термической стойкостью при градиенте температуры до 2370 К.

Таким образом, был получен ультравысокотемпературный керамический материал с однородной микропористой структурой и высокой термостойкостью при градиенте температур до 2370 К, способный работать в условиях высокоскоростного газодинамического воздействия окислительного потока, что позволяет использовать указанный материал в аэрокосмической технике.

1. Ультравысокотемпературный керамический материал на основе микрочастиц диборида циркония ZrB2 или диборида гафния HfB2, отличающийся тем, что дополнительно содержит микрочастицы оксида лантана La2O3.

2. Ультравысокотемпературный керамический материал по п. 1, отличающийся тем, что содержит оксид лантана La2O3 в количестве не менее 2 мас.%.

3. Способ получения ультравысокотемпературного керамического материала на основе микрочастиц диборида циркония ZrB2 или диборида гафния HfB2 с добавкой микрочастиц оксида лантана La2O3, включающий измельчение и смешивание компонентов исходной шихты, сушку шихты, искровое плазменное спекание шихты в вакууме при повышенных температурах и давлениях, отличающийся тем, что искровое плазменное спекание осуществляют при температурах 1850-2000°C, давлении не менее 40 МПа и времени выдержки при максимальных температурах не менее 3 минут.

4. Способ получения ультравысокотемпературного керамического материала по п. 3, отличающийся тем, что искровое плазменное спекание шихты проводят при постепенном повышении напряжения до величины не более 7 В.

5. Способ получения ультравысокотемпературного керамического материала по п. 3, отличающийся тем, что искровое плазменное спекание шихты проводят при постепенном повышении величины тока до величины не более 7500 А.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области производства струеформирующих сопел, которые могут быть использованы для очистки поверхностей, удаления покрытий, создания шероховатости на поверхности, для резки и разделения материалов.

Изобретение относится к области технической керамики, в частности, к износостойкому композиционному наноструктурированному материалу на основе кубического нитрида бора (cBN), содержащему фазы нитрида кремния (Si3N4) и оксида алюминия (Al2O3), предназначенному для применения в режущих инструментах, используемых для обработки закаленных сталей с твердостью до 65 HRC и чугунов, а также способу получения этого материала.

Изобретение относится к области получения поликристаллических материалов, которые могут быть использованы, преимущественно, для изготовления бурового и правящего инструмента.

Изобретение относится к области технической керамики, в частности к износостойкому композиционному керамическому наноструктурированному материалу на основе оксида алюминия, который может быть использован для изготовления режущего инструмента и износостойких деталей для машиностроения.

Изобретение относится к технологии синтетических сверхтвердых материалов, в частности композиционному материалу на основе субоксида бора. .
Изобретение относится к области получения алмазных композиционных материалов (композитов), состоящих из плотной массы кристаллов алмаза, связанных связующим материалом.

Изобретение относится к способам получения сверхтвердых поликристаллических материалов на основе плотных модификаций углерода и может быть использовано для изготовления различных деталей и режущего инструмента для обработки различного рода износостойких материалов, в частности кремнийсодержащих алюминиевых сплавов.

Изобретение относится к области порошковой металлургии при изготовлении порошковых изделий, в частности технической керамики и огнеупоров. .
Изобретение относится к способу получения керамических образцов на основе оксида ванадия V2О3 , легированного оксидом хрома Cr2О3. .
Керамические изделия, изготовленные предлагаемым способом, могут найти применение в различных приборах электронной техники и в радиоэлектронике, а также в качестве теплоотводов в мощных осветительных устройствах, подложек для электронагревательных элементов и термостойких электроизоляторов.

Изобретение относится к керамическому материалу для антенного обтекателя ракеты. Керамический материал содержит следующие компоненты, мас.%: 90-94 Si3N4 и 6-10 алюмосиликатов магния, включающих 3,2-5,2 мас.% SiO2, 0,7-2 мас.% MgO и 2,1-4 мас.% Al2O3, и имеет плотность не ниже 2,5 г/см3 и диэлектрическую проницаемость не более 6,5.

Изобретение относится к высокотемпературным композитным материалам, используемым в качестве компонента реактивного двигателя, и касается керамического матричного композитного компонента, покрытого барьерными для окружающей среды покрытиями, и способа его изготовления.

Изобретение относится к получению материала, который способен противостоять высоким температурам в окисляюющей среде, и может быть использовано при изготовлении конструкционных деталей и покрытий.

Изобретение относится к области технической керамики, в частности, к износостойкому композиционному наноструктурированному материалу на основе кубического нитрида бора (cBN), содержащему фазы нитрида кремния (Si3N4) и оксида алюминия (Al2O3), предназначенному для применения в режущих инструментах, используемых для обработки закаленных сталей с твердостью до 65 HRC и чугунов, а также способу получения этого материала.
Способ относится к технологии производства алюмонитридных керамических деталей плоской конфигурации, изготовленных методом литья шликеров на движущуюся ленту, и может быть использован для улучшения их физико-технических свойств и увеличения выхода годных керамических деталей после обжига.

Группа изобретений относится к области керамических композиционных материалов, армированных дисперсными частицами тугоплавких соединений, а также теплонагруженных изделий из данных материалов, и может быть использована в энергетическом машиностроении и аэрокосмической технике, в частности для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей (ГТД).
Изобретение относится к области конструкционных материалов на основе карбида кремния, применяемых в оборудовании для нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности (торцевые уплотнения нефтяных насосов и погружных агрегатов, подшипники скольжения и т.п.) и в ряде других отраслей промышленности.
Изобретение относится к области конструкционных материалов на основе карбида кремния, применяемых в оборудовании для нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности (торцевые уплотнения нефтяных насосов и погружных агрегатов, подшипники скольжения и т.п.) и в ряде других отраслей промышленности.

Изобретение относится к технологии получения керамических порошков нитрида алюминия, которые могут быть использованы в электронике, электротехнике, в частности, в качестве материала подложек мощных силовых и СВЧ-полупроводниковых приборов.

Изобретение относится к производству композиционных материалов, преимущественно конструкционного назначения, и может быть использовано для изготовления теплозащитных слоистых композиционных изделий, предназначенных, например, для эффективной тепловой защиты аэрокосмических летательных аппаратов и их энергетических систем. Техническим результатом предлагаемого изобретения является исключение расслойных трещин, образующихся при охлаждении в процессе получения теплозащитного слоистого композиционного материала, а также его высокие механические свойства. Способ получения теплозащитного слоистого композиционного материала системы Zrm(O-B-C)n включает подготовку порошков по меньшей мере двух выбранных соединений указанной системы: ZrO2, ZrB2 или ZrC, формирование из них заготовок и послойную укладку заготовок в графитовую пресс-форму, горячее прессование. При послойной укладке между указанными заготовками помещают промежуточный слой порошковой смеси выбранных соединений указанной системы, объемные доли которых в смеси определяют из формулы: , где: α1, α2 - КТР выбранных соединений, V1, V2 - объемные доли выбранных соединений в смеси, при этом толщину промежуточного слоя рассчитывают по формуле: , где: ΔН - толщина промежуточного слоя, α1, α2 - КТР выбранных соединений, h1, h2 - толщины заготовок, ΔT - разница температур, заданная режимом горячего прессования материала. Порошки выбранных соединений подготавливают обработкой в шаровой мельнице в бензине в течение 80-100 ч, затем высушенные порошки протирают через сито. Заготовки формуют прессованием в пресс-форме при давлении 100-200 МПа. Горячее прессование проводят при температуре 1400-1700°C, давлении 10-20 МПа в течение 20-30 минут в среде азота. 3 з.п. ф-лы, 4 пр.

Изобретение относится к области производства керамических материалов, в частности к технологии получения композиционных материалов на основе тугоплавких соединений для высокотемпературного применения в аэрокосмической технике. Технический результат заключается в получении ультравысокотемпературного керамического материала с однородной микропористой структурой и высокой термостойкостью при градиенте температур до 2370 К, способного работать в условиях высокоскоростного газодинамического воздействия окислительного потока. Ультравысокотемпературный керамический материал на основе микрочастиц диборида циркония ZrB2 или диборида гафния HfB2 дополнительно содержит не менее 2 мас. микрочастиц оксида лантана La2O3. Способ получения ультравысокотемпературного керамического материала включает измельчение и смешивание порошков исходной шихты, сушку шихты, искровое плазменное спекание шихты при повышенных давлениях. Спекание осуществляют в вакууме при температурах 1850-2000оС, давлении не менее 40 МПа и времени выдержки при максимальной температуре не менее 3 мин. Такой способ позволяет получать материал с высокой плотностью, составляющей более 97 от теоретической, с низкой открытой пористостью не более 0,3 и обладающий высокой термической стойкостью при градиенте температур до 2370 К. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил., 2 пр.

Наверх