Способ изготовления защитного покрытия и шихта для его осуществления



Способ изготовления защитного покрытия и шихта для его осуществления
Способ изготовления защитного покрытия и шихта для его осуществления
Способ изготовления защитного покрытия и шихта для его осуществления

 


Владельцы патента RU 2613645:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) (RU)

Способ изготовления защитного покрытия и состав шихты относятся к технологии получения защитных покрытий и составов шихты для них и могут быть использованы в металлургической, космической, ядерной технике, стекольной, химической, радиоэлектронной промышленности, а также в энергетике и машиностроении. Технический результат заключается в снижении температуры формирования защитного слоя. Способ получения защитного покрытия включает приготовление шихты путем смешения исходных компонентов, содержащих кремний и борид циркония, приготовление шликера, нанесение шликера на подложку и последующую термообработку полученной заготовки в воздушной среде, причем на стадии приготовления шихты в нее дополнительно добавляют карбид бора при следующем соотношении компонентов, мас. %: Si 65-75, ZrB2 10-30, В4С 10-30, приготовление шликера осуществляют с использованием органического связующего в виде ацетонового раствора кремниевой кислоты в количестве 5-10 мас. % свыше 100% массы шихты в расчете на сухое вещество - диоксид кремния, затем слой шликера наносят на подложку из жаростойкого неметаллического материала, высушивают полученную заготовку при 40-80°С и послойно наносят шликер на поверхность защищаемого объекта до образования слоя защитного покрытия требуемой толщины, после чего подвергают заключительному обжигу в силитовой печи при 500-550°С. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к технологии получения защитных покрытий и составов шихты для них и может быть использовано в металлургической, космической, ядерной технике, стекольной, химической, радиоэлектронной промышленности, а также в энергетике и машиностроении.

Известен способ получения многокомпонентного защитно-упрочняющего покрытия, содержащего слой экзотермического состава в виде оксида кремния и алюминия, предназначенных для приготовления шихты, а в качестве связующего - водный раствор жидкого стекла для получения шликера. Далее производят нанесение шликера на внутреннюю поверхность теплового агрегата, сушку и нагрев до температуры самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС-процесс), см. патент РФ 2137733. Однако известный способ является трудоемким, нетехнологичным за счет использования СВС-процесса, поскольку реализация этого процесса требует создания специальных условий и дополнительного оборудования.

Известен способ получения многокомпонентного защитного упрочняющего покрытия по патенту РФ 2209193, основанный на технологии получения многокомпонентных покрытий для многоуровневой защиты футеровок конструкций, отдельных устройств и элементов в металлургических печах, химических реакторах и др. Обеспечение эрозионной и тепловой защиты достигается созданием на его поверхности покрытия, содержащего три многокомпонентных слоя. При этом каждый слой выполняется на основе материалов, способных к возникновению и проведению СВС-процесса. Для получения в каждый из указанных слоев вводятся модифицирующие добавки. Каждый из слоев наносят в несколько проходов, причем пропитку первого слоя осуществляют многократно с помощью высоконапорных воздушно-распылительных устройств и при повышенном избыточном давлении. После сушки проводят низкотемпературный обжиг и по достижении более низкой температуры вводят защитную среду. Недостатком данного способа является сложность его реализации, основанная на необходимости нанесения многослойного покрытия, его неоднократной пропитки с помощью специальных устройств и при избыточном давлении, а также необходимости использования защитной среды, что делает данный способ трудоемким и нетехнологичным.

Известен способ защиты материалов от воздействия атмосферы при высокой температуре по патенту Франции 2700773, который характеризуется тем, что покрытия наносят на подслой, предназначенный для улучшения сцепления, причем подслой состоит из фосфатов цинка или алюминия. Покрытие на основе борида циркония содержит коллоидный кремнезем, причем соотношение по массе между боридом циркония и коллоидным раствором от 1 до 9, и для его получения требуется проведение дополнительной операции - предварительного остекловывания в интервале 600-700°С. Недостатком данного способа получения защитного покрытия, выполненного на основе указанного состава шихты, является то, что на материал наносят последовательно подслой, без которого наблюдается выгорание подложки из-за отделения покрытия от основы.

Известен способ, описанный в статье Баньковской И.Б., Коловертнова Д.В., Ефименко Л.П. Получение композитов на основе ZrB2-Si и изучение их свойств. Физика и химия стекла. 2011. Т. 37, №2, С. 250-257. В данной работе предложен способ получения покрытия, включающий приготовление шихты путем смешения исходных компонентов, содержащих кремний и борид циркония, приготовление шликера с добавлением органического связующего, нанесение шликера на подложку и последующую термообработку полученной заготовки защитного покрытия при нагревании до 1400°С со скоростью 7 град/мин. Недостатком данного способа является формирование покрытия при высокой температуре, что энергетически затратно.

Известен способ получения защитного покрытия по патенту РФ 2471751, включающий приготовление шихты путем смешения исходных компонентов, содержащих кремний и борид циркония, приготовление шликера с добавлением органического связующего, нанесение шликера на подложку и последующую термообработку полученной заготовки в воздушной среде, отличающийся тем, что на стадии приготовления шихты в состав исходных компонентов дополнительно вводят бор при следующем соотношении исходных компонентов, мас. %: Si 65-75, ZrB2 10-30, В 10-30, а термообработку полученной заготовки проводят при температуре 650-1000°С в течение 10-15 мин. В составе исходных компонентов используют бор с удельной поверхностью 29-22 м2/г.

Данный способ принят в качестве прототипа первого независимого объекта заявленного технического решения

Недостатком прототипа является то, что термообработку покрытия проводят при высокой температуре (650-1000°С) и низкой скорости нагревания (7 К/мин), что приводит к дополнительным энергетическим затратам. При этом поверхностный слой защитного покрытия оказывается неровным, малопористым и недостаточно остеклованным.

Задачей изобретения являются разработка нового способа получения защитного покрытия и создание нового состава шихты для его осуществления, обеспечивающих снижение температуры термообработки в интервале от 500 до 550°С, со скоростью 50-55 К/мин, снижение себестоимости продукта при улучшении его эксплуатационных характеристик при температуре 1400°С и выше в течение длительного времени за счет повышенной эрозионной стойкости.

Сущность первого независимого объекта изобретения как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше результата.

Способ получения защитного покрытия, включающий приготовление шихты путем смешения исходных компонентов, содержащих кремний и борид циркония, приготовление шликера, нанесение шликера на подложку и последующую термообработку полученной заготовки в воздушной среде, отличающийся тем, что на стадии приготовления шихты в нее дополнительно добавляют карбид бора при следующем соотношении компонентов, мас. %: Si 65-75, ZrB2 10-30, В4С 10-30, приготовление шликера осуществляют с использованием органического связующего в виде ацетонового раствора кремниевой кислоты в количестве 5-10 мас. % свыше 100% массы шихты в расчете на сухое вещество - диоксид кремния, затем слой шликера наносят на подложку из жаростойкого неметаллического материала, высушивают полученную заготовку при 40-80°С и послойно наносят шликер на поверхность защищаемого объекта до образования слоя защитного покрытия требуемой толщины, после чего подвергают заключительному обжигу в силитовой печи при 500-550°С.

Технический результат, достигаемый при использовании существенных признаков заявленного способа заключается в том, что добавление в шликер органического связующего в виде ацетонового раствора кремниевой кислоты приводит к образованию рентгеноаморфных (наноразмерных) частиц диоксида кремния, что способствует понижению температуры формирования защитного покрытия.

Сущность второго независимого объекта изобретения как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше результата.

Шихта для защитного покрытия, включающая кремний и борид циркония, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит карбид бора при следующем соотношении компонентов, мас. %: Si 65-75, ZrB2 10-30, В4С - 10-30.

Конкретные примеры заявляемого состава шихты для защитного покрытия по второму независимому объекту приведены в таблице 1, в которой примеры 1-3 соответствуют заявленному составу, а примеры 4 и 5 соответствуют составам шихты, в которых содержание кремния выходит за пределы заявляемого, а пример 6 соответствует составу шихты, выбранному в качестве прототипа.

Качественные характеристики защитных покрытий, полученных после термообработки, приведены в таблице 2, в которой номера составов соответствуют нумерации составов, приведенных в таблице 1.

Для покрытий, получивших оценку в 1 или 3 балла, характерно выгорание графита при термообработке при 1400°C. Для покрытий, получивших оценку в 5 баллов, выгорания графита не наблюдается.

В составах 1-3 наблюдается быстрое остекловывание покрытия, приводящее к образованию тонкого защитного слоя. Этот процесс характеризуется низкими температурой и временем термообработки.

В составах 4 и 5 приведены покрытия, содержание кремния в которых выходит за пределы заявляемого. Снижение содержания кремния до 60 мас % приводит к впитыванию и деформации покрытия. Повышение содержания кремния до 80 мас. % приводит к образованию тугоплавкого спека, что снижает его качественные характеристики за счет повышения пористости покрытия.

В составе 6 (состав ближайшего аналога) термообработка осуществляется при 600°С, при этом происходит постепенное остекловывание и глубокое проплавление.

Заявленный способ для получения шихты по второму независимому объекту изобретения осуществляют следующим образом.

Пример 1. В качестве исходных компонентов шихты защитного покрытия используют мелкодисперсные порошки кремния с повышенной удельной поверхностью, борида циркония с удельной поверхностью 6 м2/г и порошок карбида бора с удельной поверхностью 6 м2/г. Процесс нанесения защитных покрытий состоит: из подготовки образцов графита в качестве подложки, приготовления шихты состава (в мас. %): Si 70, ZrB2 20, В4С 10, приготовления шликера с использованием органического связующего в виде ацетонового раствора кремневой кислоты, нанесения нескольких слоев шликера на подложку из графита, высушивания полученной заготовки при 40°С в течение 10 мин и заключительного обжига образцов в силитовой печи по определенному температурному режиму. Полученную заготовку подвергают термообработке при 500°С в течение 13 мин. После термообработки достигнуто остекловывание поверхности защитного покрытия, т.е. обеспечение газонепроницаемости покрытия, защищающего графит от воздействия кислорода воздуха при эксплуатации при температурах выше 1400°С в течение длительного времени.

Пример 2. В качестве исходных компонентов шихты защитного покрытия используют мелкодисперсные порошки кремния, борида циркония и карбида бора с повышенной удельной поверхностью 7 см2/г. Процесс нанесения покрытий состоит из подготовки подложки из графита, приготовления шихты состава (в мас. %): Si 75, ZrB2 15, В4С 10, приготовления шликера с использованием органического связующего в виде ацетонового раствора кремневой кислоты, нанесения нескольких слоев шликера на подложку, например на образцы из графита, высушивания полученной заготовки при 40°С в течение 10 мин и заключительного обжига образцов в силитовой печи по определенному температурному режиму. Полученную заготовку подвергают термообработке при 500°С в течение 14 мин. После термообработки наблюдалось остекловывание поверхности защитного покрытия, т.е. обеспечение газонепроницаемости покрытия, защищающего графит от воздействия кислорода воздуха при эксплуатации при температурах выше 1400°С в течение длительного времени.

Пример 3. В качестве исходных компонентов шихты защитного покрытия используют мелкодисперсные порошки кремния, борида циркония и карбида бора с повышенной удельной поверхностью 8 см2/г. Процесс нанесения покрытий состоит из подготовки подложки из графита, приготовления шихты состава (в мас. %): Si 80, ZrB2 10, В4С 10, приготовления шликера с использованием органического связующего в виде ацетонового раствора кремневой кислоты, нанесения нескольких слоев шликера на подложку, например на образцы из графита, высушивания полученной заготовки при 40°С в течение 10 мин и заключительного обжига образцов в силитовой печи по определенному температурному режиму. Полученную заготовку подвергают термообработке при 550°С в течение 15 мин. После термообработки наблюдают образование тугоплавкого пористого спека, что вызывает выгорание графита при дальнейшей термообработке при 1400°С.

1. Способ получения защитного покрытия, включающий приготовление шихты путем смешения исходных компонентов, содержащих кремний и борид циркония, приготовление шликера, нанесение шликера на подложку и последующую термообработку полученной заготовки в воздушной среде, отличающийся тем, что на стадии приготовления шихты в нее дополнительно добавляют карбид бора при следующем соотношении компонентов, мас.%: Si 65-75, ZrB2 10-30, В4С 10-30, приготовление шликера осуществляют с использованием органического связующего в виде ацетонового раствора кремниевой кислоты в количестве 5-10 мас.% свыше 100% массы шихты в расчете на сухое вещество - диоксид кремния, затем слой шликера наносят на подложку из жаростойкого неметаллического материала, высушивают полученную заготовку при 40-80°C и послойно наносят шликер на поверхность защищаемого объекта до образования слоя защитного покрытия требуемой толщины, после чего подвергают заключительному обжигу в силитовой печи при 500-550°С.

2. Шихта для защитного покрытия, включающая кремний и борид циркония, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит карбид бора при следующем соотношении компонентов, мас.%: Si 65-75, ZrB2 10-30, В4С 10-30.



 

Похожие патенты:

Способ изготовления защитного покрытия относится к технологии получения защитных покрытий и составов шихты для них и может быть использовано в металлургической, космической, ядерной технике, стекольной, химической, радиоэлектронной промышленности, а также в энергетике и машиностроении.

Изобретение относится к получению тугоплавких материалов. Способ включает приготовление экзотермической смеси порошков и смеси порошков химической печки, формование слоевой шихтовой заготовки, инициирование в ней реакции горения в виде самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) с прессованием полученного продукта СВС.

Изобретение относится к получению изделий из тугоплавких материалов. Способ включает приготовление экзотермической смеси порошков, формование шихтовой заготовки, инициирование реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и прессование полученного продукта СВС.
Изобретение относится к гранулам диборида титана, применяемым для нанесения покрытия графитовых катодов в электролизерах при получении алюминия электролизом расплавленной среды и для ремонта отверстий в катодном днище электролизеров.
Изобретение относится к бору и его соединениям, а именно к способам синтеза диборида алюминия, являющегося перспективным энергетическим материалом для ракетных топлив.

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.

Изобретение относится к области производства керамических материалов, в частности к технологии получения композиционных материалов на основе тугоплавких соединений для высокотемпературного применения в аэрокосмической технике.
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 технологии получения керамических наноматериалов, а именно дискретных нанотрубок нитрида бора, применяющихся в качестве упрочняющей фазы для полимерных и металлических матриц. Способ включает приготовление реакционной смеси из бороксидного соединения и катализатора, термообработку реакционной смеси в аммиаке при температуре 950°С-1200°С в течение 1 часа, выделение нанотрубок из продуктов реакции, промывку и сушку, при этом реакционная смесь состоит из бороксидного соединения и катализатора, взятых в пропорции, обеспечивающей соотношение катионов в диапазоне В/Ме=1-7, где Me = Li, Mg, Са, Sr, в качестве катализатора используют гидроксид или карбонат лития, магния, кальция, или стронция, а в качестве бороксидного соединения используют борную кислоту или борат аммония, причем реакционную смесь наносят в виде слоя толщиной от 0,1 до 1 мм на замкнутую ленту из низкоуглеродистой стали или тонкой сетки, которую пропускают через печь с атмосферой аммиака. Изобретение позволяет получать дискретные цилиндрические нанотрубки нитрида бора диаметром 10-100 нм и длиной от 0,5-50 мкм с использованием дешевых и малотоксичных реактивов непрерывным способом. 1 табл., 1 пр.

Изобретение относится к неорганической химии и неорганическому материаловедению, конкретно к получению порошковых материалов состава MB2-SiC, где М = Zr, Hf, содержащих нанокристаллический карбид кремния. Получаемые композиционные порошки ZrB2-SiC и/или HfB2-SiC могут быть применены для нанесения защитных антиокислительных покрытий на углеродсодержащие материалы, в том числе и армированные углеродными и карбидокремниевыми волокнами, графитовые материалы, и для изготовления ультравысокотемпературных керамических материалов, используемых, в основном, для создания авиационной, космической и ракетной техники, отопительных систем, теплоэлектростанций, в технологиях атомной энергетики, в химической и нефтехимической промышленности. Получают композиционный порошок, обладающий повышенной окислительной стойкостью, представляющий собой композицию диборида циркония и/или диборида гафния с 10÷65 об. % нанокристаллического карбида кремния, для чего готовят раствор фенолформальдегидной смолы с массовым содержанием углерода от 5 до 40% в органическом растворителе, в котором диспергируют порошок диборида циркония и/или диборида гафния, после чего в полученную суспензию вводят тетраэтоксисилан с концентрацией от 1⋅10-3 до 2 моль/л, обеспечивающей стехиометрический синтез карбида кремния, а также кислотный катализатор гидролиза тетраэтоксисилана, далее при перемешивании проводят гидролиз тетраэтоксисилана при температуре 0÷95°C гидролизующими растворами с образованием геля, затем осуществляют сушку полученного геля при температуре 0÷250°C и давлении 1⋅10-4÷1 атм до прекращения изменения массы, полученный ксерогель подвергают двухстадийной термической обработке при пониженном давлении, на первой стадии при температуре от 400 до 1000°C в течение 0,5÷12 часов, на второй стадии при температуре от 1100 до 1450°C в течение 0,5÷12 часов. Получают композиционные порошки MB2-SiC, где М = Zr, Hf, содержащие нанокристаллический карбид кремния, характеризующиеся отсутствием посторонних фаз и повышенной окислительной стойкостью в токе воздуха по сравнению с порошками индивидуальных HfB2 и ZrB2. 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 4 пр.
Наверх