Способ соединения деталей из карбида кремния

Авторы патента:

C04B37/00 - Соединение обожженных керамических изделий с другими обожженными керамическими или иными изделиями путем нагрева (слоистые изделия B32B, E04C)

C04B35/573 - полученная реакционным спеканием

Владельцы патента RU 2623395:

Общество с ограниченной ответственностью "Керамические технологии" (RU)

Изобретение относится к области соединения керамических деталей из карбида кремния при изготовлении крупногабаритных изделий, например оптических зеркал, длинномерных пеналов для захоронения радиоактивных отходов и др. Способ соединения деталей из карбида кремния, включающий механическую обработку торцевых поверхностей соединяемых деталей, нанесение на соединяемые поверхности пасты, содержащей порошки карбида кремния дисперсностью 40-50 мкм и 5-10 мкм при следующем соотношении компонентов, мас. %: порошок карбида кремния дисперсностью 40-50 мкм 60-80, порошок карбида кремния дисперсностью 5-10 мкм 20-40, связующее - кремнийорганический лак, в количестве 100-150 мас.% от суммарной массы порошков карбида кремния, и термообработку при температуре 1450-1500°C в течение 15-20 минут в вакууме 2 - 5×10^-2 мм рт.ст. Технический результат - повышение прочности соединения деталей и сокращение длительности процесса. 6 пр., 1 табл.

Изобретение относится к области соединения керамических деталей, в частности из карбида кремния при изготовлении крупногабаритных изделий, например оптических зеркал, длинномерных пеналов для захоронения радиоактивных отходов и др.

Известен способ соединения деталей из карбида кремния, заключающийся в соединении, по крайней мере, двух деталей из карбида кремния с помощью нереактивной пайки. Сборка изделия формируется этими деталями и нагревается до температуры, достаточной для расплавления припоя, размещенного между соединяемыми деталями. Детали и припой охлаждаются до образования тугоплавкого соединения между соединяемыми деталями. В качестве припоя используется бинарный сплав, содержащий, масс. %: 56-70 кремния и 44-30 иттрия в виде порошка и органическое связующее (см. патент US №2010/0075160, кл. 428/448, опубл. 25.03.2010).

Недостатком известного способа соединения деталей из карбида кремния является низкая прочность соединения деталей, связанная с отсутствием реакционного спекания между припоем и соединяемыми поверхностями деталей из карбида кремния, т.к. прочность соединения определяется прочностью материала сварного шва. Прочность соединения деталей при испытаниях на изгиб составляет 10-15 кг/мм².

Известен способ соединения деталей из карбида кремния, заключающийся в нереактивной пайке, в котором детали соединяются с помощью припоя, состоящего из суспензии, содержащие, ат. %: кремний 45-65, никель 28-45, алюминий 5-15 и органическое связующее. Сборка из деталей карбида кремния с нанесенным на соединяемые поверхности припоем подвергается термообработке при температуре до полного или частичного расплавления припоя и охлаждается таким образом, чтобы сформировать после затвердевания припоя тугоплавкое соединение (см. патент Fr WO 2011/113758AL, CL B23K 1/00, опубл. 22.09.2011).

Поскольку процесс соединения представляет собой нереактивную пайку, прочность соединения определяется прочностью паянного шва и недостаточна для изделий, эксплуатируемых при высоких температурах >1000°C. Прочность соединения деталей при испытаниях на изгиб составляет 10-15 кг/мм².

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому результату - прототипом является способ соединения деталей из карбида кремния, включающий механическую обработку соединяемых поверхностей деталей, нанесения на соединяемые поверхности пасты и термообработку. Паста содержит порошки карбида кремния и углерода, а в качестве связующего - бакелит. С целью упрощения технологии паста дополнительно содержит оксид титана при следующем соотношении компонентов, масс. %:

карбид кремния 70-80

углерод 18-25

оксид титана 2-5,

а термообработку проводят при 130-180°C в течение 11-13 часов (см. патент RU №2023708, МПК C04B 3700, 31.05.1991).

Недостатком данного способа соединения деталей из карбида кремния являются низкая прочность соединения, составляющая при испытаниях изгиб 13-18 кг/мм² и длительность процесса 11-13 часов.

Этот недостаток связан с тем, что прочность соединения деталей определяется адгезионной прочностью взаимодействия соединяемой поверхности детали и слоем пасты (припоя). Какого-либо химического или металлургического взаимодействия соединяемых указанным способом деталей не происходит, а прочность соединения определяется прочностью припоя, который значительно ниже прочности карбида кремния. Длительность процесса определяется, в основном, временем термообработки.

Целью заявленного изобретения является повышение прочности соединения деталей из карбида кремния и сокращение длительности процесса. Поставленная цель достигается тем, что в способе соединения деталей из карбида кремния, включающем механическую обработку поверхности соединяемых деталей, нанесение на соединяемые поверхности пасты, содержащей порошки карбида кремния и связующее, термообработку, согласно изобретению наносимая на соединяемые поверхности деталей паста содержит порошки карбида кремния дисперсностью 40-50 мкм и 5-10 мкм при следующем соотношении компонентов, масс.%:

порошок карбида кремния дисперсностью 40-50 мкм 60-80

порошок карбида кремния дисперсностью 5-10 мкм 20-40,

в качестве связующего паста содержит кремнийорганический лак в количестве 100-150 масс. % от суммарной массы порошков карбида кремния, а термообработку проводят при температуре 1450-1500°C в течение 15-20 минут в вакууме 2 - 5×10^-2 мм рт.ст.

Причинно-следственная связь между достижением поставленной цели - повышение прочности соединения деталей и сокращение длительности процесса - и отличительными признаками изобретения заключается в следующем.

Количество и дисперсность порошков карбида кремния в составе пасты установлены экспериментально и выбраны в пределах, обеспечивающих однородность распределения и заполнения мелкой фракцией промежутков между порошками крупной фракции в процессе их смешивания, что принципиально важно для протекания процесса структурирования сварного шва в результате термообработки. Как установлено, при выходе за заявленные пределы прочность соединения деталей снижается.

Кремнийорганический лак в качестве связующего в составе пасты в процессе термообработки разлагается, в результате чего зерна карбида кремния обволакиваются свободным углеродом, расплавленный кремний растворяет свободный углерод с образованием насыщенного раствора углерода в кремнии с выделением кристаллов вторичного карбида кремния, ответственного за прочность соединения деталей. Количество кремнийорганического лака в заявленных пределах необходимо и достаточно для образования кристаллов вторичного карбида кремния, выполняющих роль связующего (сварного шва) между соединяемыми деталями.

В процессе термообработки кремнийорганический лак претерпевает стадии полимеризации и карбонизации, а выделяющийся свободный углерод обволакивает зерна порошка карбида кремния. Свободный кремний, содержащийся в материале соединяемых деталей, плавится и пропитывает пасту, растворяя находящийся в ней углерод с образованием насыщенного раствора углерода в расплавленном кремнии, что сопровождается выделением из расплавленного карбида кремния вторичных кристаллов карбида кремния, которые высаживаются на кристаллах первичного карбида кремния поверхности соединяемых деталей. Таким образом происходит реакционная сварка деталей из карбида кремния. Зона сварки деталей представляет собой структуру, идентичную структуре соединяемых деталей из карбида кремния, и, соответственно, прочность соединения деталей совпадает с прочностью самих деталей, т.е. равна прочности карбида кремния.

Процесс заканчивается после перевода свободного углерода во вторичный карбид кремния. При температуре термообработки менее 1450°C в составе пасты сохраняется свободный углерод, а при температуре выше 1500°C происходит испарение расплавленного кремния. В том и другом случаях эти явления отрицательно сказываются на прочности соединения деталей.

Время термообработки, составляющее 30-50 минут, достаточно для перевода свободного углерода во вторичный карбид кремния. Увеличение времени термообработки не целесообразно. Для исключения окисления поверхностей соединяемых деталей термообработку проводят в вакууме не хуже 2 - 5×10^-2 мм рт.ст.

Пример реализации

Соединению подвергали трубчатые изделия из карбида кремния. На механически зачищенные методом шлифования торцевые поверхности соединяемых трубчатых деталей из карбида кремния наносили пасту, содержащую порошки карбида кремния дисперсностью 40-50 мкм и 5-10 мкм при следующем соотношении, масс. %:

- порошок карбида кремния дисперсностью 40-50 мкм 60-80

- порошок карбида кремния дисперсностью 5-10 мкм 20-40.

Порошки карбида кремния перемешивали в ступке со связующим (кремнийорганический лак в количестве 100-150 масс. % от суммарной массы порошков карбида кремния) до сметанообразного состояния, пасту наносили на поверхности соединяемых деталей, прижимали друг к другу через прослойку нанесенной пасты. Соединяемые детали помещали в вакуумируемую печь, нагревали в вакууме 2 - 5×10^-2 до температуры 1450-1500°C и выдерживали 15-20 минут, после чего охлаждали.

Испытания на прочность соединения деталей проводили методом изгиба.

В таблице приведены примеры исполнения способа соединения деталей из карбида кремния на граничные и промежуточное значения заявленных параметров (примеры 1-3) в сопоставлении с известным способом-прототипом (пример 6). Из приведенных данных следует, что предложенный способ соединения деталей из карбида кремния обеспечивает повышение прочности соединения деталей и сокращение длительности процесса. При выходе за заявленные пределы параметров процесса прочность соединения деталей снижается (примеры 4, 5).

Способ соединения деталей из карбида кремния, включающий механическую обработку торцевых поверхностей соединяемых деталей, нанесение на соединяемые поверхности пасты, содержащей порошки карбида кремния и связующее, термообработку, отличающийся тем, что наносимая на соединяемые поверхности деталей паста содержит порошки карбида кремния дисперсностью 40-50 мкм и 5-10 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

порошок карбида кремния дисперсностью 40-50 мкм	60-80
порошок карбида кремния дисперсностью 5-10 мкм	20-40

в качестве связующего паста содержит кремнийорганический лак, в количестве 100-150 мас.% от суммарной массы порошков карбида кремния, а термообработку проводят при температуре 1450-1500°С в течение 15-20 минут в вакууме 2 - 5×10^-2 мм рт.ст.

Изобретение относится к области соединения керамических материалов с образованием керамического соединительного слоя и может быть использовано при производстве сложнопрофильных керамических конструкций для энергетического машиностроения, двигателестроения, аэрокосмической техники.

Способ соединения деталей из углеродного материала пайкой тугоплавким припоем // 2480434

Огнеупорное керамическое изделие // 2433105

Изобретение относится к области огнеупоров и технической керамики и может быть использовано в производстве огнеупорных керамических изделий, в том числе технологических контейнеров, используемых при синтезе высокочистых материалов на основе пентаоксидов ниобия и тантала, а также для футеровки химических аппаратов, печей, конструкционных элементов.

Способ соединения керамических деталей из нитрида кремния // 2365564

Изобретение относится к способам соединения отдельных деталей из нитрида кремния, используемым при изготовлении конструкционных изделий, например сопловых аппаратов, длинномерных термопарных чехлов и труб (хлорвводов), работающих в расплаве алюминия при температуре 1200°С, стеклоплавильных аппаратов для вытягивания стекловолокна при температуре до 1600°С.

Способ малодеформирующей диффузионной сварки элементов из спеченной неоксидной керамики и деталь из неоксидной керамики с бесшовным соединением // 2353486

Изобретение относится к способу малодеформирующей диффузионной сварки керамических элементов, к изготовленным таким способом монолитам и их применениям. .

Соединение материалов, способ его изготовления и корпус для отпираемого светом тиристора // 2273619

Изобретение относится к вакуумно-плотному и стойкому к изменениям температуры соединению материалов из алюмооксидного сапфира и алюмоокисидной керамики, а также к способу его изготовления и его применению.

Стеклокерамический материал для соединения керамики на основе zro2, стабилизированной y2o3 // 2144011

Способ получения быстрогидратирующейся велановой смолы и цементная композиция на основе этой смолы // 2119923

Способ соединения деталей // 2108992

Изобретение относится к технологии соединения как однородных так и разнородных по материалу деталей, и может, в частности, использоваться для соединения металлических и керамических деталей.

Композиция для легкоплавкого припоечного материала // 2053211

Наноструктурированный композиционный материал на основе карбида бора и способ его получения // 2621241

Изобретение относится к области технической керамики, в частности к наноструктурированному композиционному материалу на основе реакционноспеченного карбида бора (В4С), имеющему высокие параметры прочности, твердости, модуля упругости и удельной жесткости в сочетании с низким значением плотности, предназначенному для создания легких керамических бронеэлементов в составе конструкций брони с высокой степенью защиты, а также для изготовления износостойких изделий.

Способ получения нанокерамики методом совмещения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и искрового плазменного спекания // 2614006

Изобретение относится к области керамического материаловедения, в частности к технологии получения нанокерамики. Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение энергозатрат, исключение применения различных активаторов спекания, повышение физико-механических свойств получаемого материала.

Полимерная композиция для получения карбида кремния // 2605257

Изобретение относится к химической промышленности для получения термостойких высокопористых изделий из карбида кремния, которые используют в качестве фильтров, теплоизоляции, абсорбентов.

Композиция для соединения керамических композиционных материалов на основе карбида кремния // 2604530

Способ изготовления тонкостенных изделий из композиционного материала на основе углерод-керамической матрицы с градиентными по толщине свойствами // 2593508

Изобретение предназначено для использования при изготовлении изделий, работающих в окислительных газовых потоках, в абразивосодержащих газовых и жидкостных потоках, а также в качестве пар трения.

Способ изготовления тонкостенных изделий из композиционного материала с градиентными свойствами по их толщине // 2579161

Изобретение относится к области композиционных материалов с углерод-карбидокремниевой матрицей, предназначенных для работы в условиях высокого теплового нагружения и одностороннего воздействия окислительной среды с высоким окислительным потенциалом.

Способ изготовления изделий из керамоматричного композиционного материала // 2573495

Изобретение относится к области получения композиционных материалов на основе углерода и карбида кремния и изделий из них, теплозащитного, конструкционного назначений, предназначенных для эксплуатации в условиях комплексных статических и динамических нагрузок при температурах до 2000°C в окислительной и абразивосодержащих средах (авиакосмическая техника и металлургия).

Композиция углеродной заготовки для получения sic/c/si керамики и способ получения sic/c/si изделий // 2573146

Изобретение относится к получению керамики на основе SiC/C/Si, которая может быть использована для производства конструкционных изделий, используемых в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей, химической, металлургической и пищевой промышленности, ВПК, ЖКХ.

Способ изготовления изделий из углеродкерамического композиционного материала // 2572851

Изобретение относится к области получения композиционных материалов на основе углерода и изделий из них теплозащитного, конструкционного, химически стойкого назначений, подлежащих эксплуатации в условиях комплексных статических и динамических нагрузок под нагревом при температуре до 2000°С в окислительной среде и высокоскоростных абразивосодержащих окислительных газовых потоках и жидкостных средах (авиакосмическая техника, высокотемпературное электротермическое оборудование в химической, нефтяной и металлургической промышленностях).

Способ изготовления изделий из композиционного материала с углерод-керамической матрицей // 2570076

Изобретение относится к области получения композиционных материалов (КМ) на основе углерод-керамической матрицы и изделий из них теплозащитного, конструкционного назначений, предназначенных для длительной работы в окислительных средах преимущественно в интервале температур 800-1500°C.

Способ получения карбида кремния // 2642660

Изобретение относится к технологии получения карбида кремния для изготовления приборов СВЧ-техники, оптоэлектроники и силовой техники. Карбид кремния получают из шихты, содержащей нанопорошки кремнийсодержащего (SiO, SiO2, H2SiO3) и углеродсодержащего (углевод общей формулы Cn(H2O)m, где n≥12; m=n-1, многоатомный спирт общей формулы CnH2n+2On, где n≥2, альдегидные либо кетонные производные многоатомных спиртов общей формулы (CH2O)n, где n≥3 компонентов, приготовленной в деионизованной воде, с последующим ступенчатым нагревом в три стадии: до температуры 145-195°C с выдержкой 1,5-3 ч, до 800-1000°C с выдержкой 0,4-1 ч и до 1450-1650°C с выдержкой в течение 1-1,5 ч. Получают порошок карбида кремния белого цвета высокой чистоты - 1⋅10-5 ат.% с выходом годного продукта порядка 80-85%. 3 пр.