Способ изготовления изделий из реакционно-спеченного композиционного материала

Изобретение относится к области конструкционных материалов, а именно к способам изготовления высокотемпературных, износостойких и коррозионно-стойких изделий из реакционно-спеченного композиционного материала на основе карбида кремния, и может быть использовано в ряде отраслей промышленности, в том числе авиационной. Технический результат заключается в снижении энергоёмкости процесса силицирования. Сущность изобретения состоит в формовании заготовки на основе композиции, состоящей из мелкодисперсного наполнителя и временного связующего, обжиге сформованной заготовки при температуре, обеспечивающей полное удаление летучих продуктов из временного связующего, и силицировании заготовки парожидкофазным методом в вакууме в парах кремния при массопереносе кремния в поры материала путем капиллярной конденсации паров. Мелкодисперсный наполнитель представляет собой смесь инертного к кремнию при технологических параметрах процесса силицирования соединения и активного по отношению к нему элемента или соединения, образующих с кремнием тугоплавкие карбиды и/или силициды и/или тройные соединения, причем размер частиц активного и пассивного элементов берут в соотношении не менее чем 1:5 при неизменном их гранулометрическом составе. Размер частиц инертного к кремнию соединения не превышает 25 мкм. Силицирование осуществляют при конечной температуре 1300-1400°С. 1 табл.

 

Изобретение относится к области конструкционных материалов, характеризуемых их составом, а именно, к способам изготовления изделий из реакционно-спеченного композиционного материала, и может быть использовано в ряде отраслей промышленности, в том числе авиационной, при изготовлении деталей из высокотемпературных, износостойких и коррозионно-стойких формованных керамических материалов на основе карбида кремния.

Известен способ изготовления изделий из карбида кремния, включающий формование заготовки на основе мелкодисперсного наполнителя и термопластичного связующего с последующим спеканием при высоких температурах и давлениях (Гнесин Г.Г. Карбидокремниевые материалы. - М.: Металлургия, 1977 г., с. 216).

Недостатком известного технического решения является изготовление изделий ограниченных размеров и примитивных форм вследствие необходимости применения высоких давлений в процессе изготовления.

Известен способ изготовления изделий из карбидокремниевых материалов с использованием газотранспортных реакций, приводящих к получению карбида кремния в результате термической диссоциации кремнийорганических соединений (метилхлорсилана, диметилхлорсилана и других) (Косолапова Т.А. и др. Неметаллические тугоплавкие соединения. - М.: Металлургия, 1985 г., с. 224).

Недостатком известного технического решения является выделение большого количества хлорорганических соединений, что снижает экологичность способа. Кроме того, материал изделий имеет недостаточную прочность.

Известен способ изготовления изделий из композиционных материалов, включающий формование заготовки на основе композиции, состоящей из мелкодисперсного наполнителя, представляющего смесь порошков, инертных к кремнию при технологических параметрах процесса силицирования соединений и активных к нему элементов или соединений, образующих при взаимодействии с ним тугоплавкие карбиды, силициды или тройные соединения и временного связующего, обжиг сформованной заготовки при температуре, соответствующей полному удалению связующего и силицированию (Гаршин А.П. и др. Конструкционные карбидокремниевые материалы. - Л.: Машиностроение, 1975, с. 151).

В известном техническом решении в качестве инертного к кремнию порошка используется карбид кремния SiC, а в качестве активного - углерод в виде кокса. При этом порошок SiC и кокса берут с размером частиц не более 50 мкм, а силицирование осуществляют жидкофазным методом.

Недостатком известного технического решения является высокий процент брака, возрастающий при увеличении габаритов изделия, обусловленный использованием компонентов, имеющих высокую степень загрязнения органическими соединениями, повышающими количество дефектов. При этом очистка от загрязнений исходного материала является сложным и дорогостоящим процессом.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является способ изготовления изделий из реакционно-спеченного композиционного материала, включающий формование заготовки на основе композиции, состоящей из мелкодисперсного наполнителя и временного связующего, обжиг сформованной заготовки при температуре, обеспечивающей полное удаление летучих продуктов из временного связующего и силицирование заготовки парожидкофазным методом в вакууме в парах кремния при массопереносе кремния в поры материала путем капиллярной конденсации паров, где мелкодисперсный наполнитель представляет собой смесь инертного к кремнию при технологических параметрах процесса силицирования соединения, и активного по отношению к нему элемента или соединения, образующих с кремнием тугоплавкие карбиды и/или силициды и/или тройные соединения, причем размер частиц порошка, активного к кремнию элемента или соединения берут меньшими размера частиц порошка инертного к нему соединения (RU 2539465, 2015 г.).

Существенным недостатком известного технического решения является высокая энергоемкость процесса, поскольку силицирование осуществляется при конечной температуре 1600-1700°С, что обусловлено низким соотношением активных и инертных по отношению к кремнию порошков смеси.

Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в снижении энергоемкости процесса силицирования.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в формировании структуры материала по смешанному типу замещения и внедрения за счет уменьшения размеров мелких пор в материале смеси.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа изготовления изделий из реакционно-спеченного композиционного материала, включающем формование заготовки на основе композиции, состоящей из мелкодисперсного наполнителя и временного связующего, обжиг сформованной заготовки при температуре, обеспечивающей полное удаление летучих продуктов из временного связующего и силицирование заготовки парожидкофазным методом в вакууме в парах кремния при массопереносе кремния в поры материала путем капиллярной конденсации паров, где мелкодисперсный наполнитель представляет собой смесь инертного к кремнию при технологических параметрах процесса силицирования соединения, и активного по отношению к нему элемента или соединения, образующих с кремнием тугоплавкие карбиды и/или силициды и/или тройные соединения, причем размер частиц порошка, активного к кремнию элемента или соединения берут меньшими размера частиц порошка инертного к нему соединения, причем размер частиц порошка активного к кремнию элемента или соединения и инертного к нему элемента или соединения берут в соотношении не менее чем 1:5 при неизменном их гранулометрическом составе, при этом размер частиц порошка инертного к кремнию соединения берут не более 25 мкм, а силицирование осуществляют при конечной температуре 1300-1400°С.

Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как:

- использование порошка активного к кремнию элемента или соединения и инертного к нему элемента или соединения, размер частиц которого берут в соотношении не менее чем 1:5 при неизменном их гранулометрическом составе и при размере частиц порошка инертного к кремнию соединения не более 25 мкм обеспечивает формирование структуры материала по смешанному типу замещения и внедрения за счет уменьшения размеров мелких пор в материале заготовки, что создает условия для снижения конечной температуры силицирования;

- осуществление силицирования при конечной температуре 1300-1400°С обеспечивает снижение энергоемкости процесса силицирования.

Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием способа изготовления изделий из реакционно-спеченного композиционного материала со ссылкой на фигуру, где приведена таблица результатов изготовления изделий из реакционно-спеченного композиционного материала на основе карбида кремния в соответствии с предлагаемым способом.

Применение порошка активного к кремнию элемента с размерами частиц значительно меньших (не менее чем в 5 раз) размеров порошка, инертного к кремнию при размере частиц порошка последнего не более 25 мкм, обеспечивает возможность формирования структуры материала по типу не только замещения, но и внедрения, причем структура внедрения образуется в тем большей степени, чем больше разница в размерах частиц активного и инертного к кремнию порошков. При этом изменение соотношения между структурами замещения и внедрения в объеме материала в сторону увеличения объема структуры внедрения приводит к уменьшению размера мелких пор в материале заготовки перед процессом силицирования. Реализация механизма массопереноса кремния в поры материала заготовки путем капиллярной конденсации обеспечивает заполнение кремнием сколь угодно мелких пор, причем пропитка осуществляется более чистым конденсатом паров кремния, чем расплав металлургического кремния, поэтому даже высокая активность углерода, являющегося причиной науглероживания жидкого кремния, не является помехой пропитке. Тем самым обеспечивается равномерность пропитки кремнием по всей толщине заготовки. В связи с изложенным возникают предпосылки для проведения силицирования при более низких температурах. Осуществление силицирования при конечной температуре 1300-1400°С обеспечивает возможность использования более широкого набора инертных к кремнию соединений, тем самым позволяет выбрать из них наиболее подходящие и значительно снизить энергетические затраты при реализации способа.

Способ осуществляется следующим образом.

Формуют заготовку на основе композиции, состоящей из мелкодисперсного наполнителя, представляющего собой смесь определенного инертного к кремнию при технологических параметрах процесса силицирования соединения, например карбида кремния, карбида бора и борида циркония, и активного к кремнию элемента или соединения, образующего при соединении с ним тугоплавкие карбиды и/или силициды и/или тройные соединения, например углерода, карбида титана, молибдена и карбида молибдена, и временного связующего, например, 10%-ого спиртового раствора жидкого бакелита марки БЖ-3. Размеры порошков активного к кремнию элемента или соединения и инертного к нему элемента или соединения берут в соотношении не менее чем 1:5 при неизменном их гранулометрическом составе. При этом размер частиц порошка инертного к кремнию соединения берут не более 25 мкм. Применение порошка активного к кремнию элемента с размерами частиц, значительно меньших (не менее чем в 5 раз) размеров порошка, инертного к кремнию, при неизменном их гранулометрическом составе и указанном размере частиц порошка инертного к кремнию соединения, обеспечивает возможность формирования структуры материала по смешанному типу замещения и внедрения. При этом происходит изменение соотношения между структурами замещения и внедрения в объеме материала в сторону увеличения образования объема структуры внедрения, что позволяет уменьшить размеры мелких пор в материале заготовки перед процессом силицирования, и в свою очередь обеспечивает возможность получения композиционного материала, имеющего низкое содержание свободного кремния, равномерно распределенного по объему материала и проведения силицирования при более низких температурах.

В предпочтительном варианте порошок активного к кремнию элемента берут в следующем соотношении по гранулометрическому составу: 0,5 мкм - 30%, 1,0 мкм - 30%, 1,5 мкм - 40%, а порошок инертного к кремнию соединения берут в соотношении 1:5 по размеру частиц образца при неизменном соотношении по гранулометрическому составу: 2,5 мкм - 30%, 5,0 мкм - 30%, 7,5 мкм - 40%.

После этого заготовку обжигают при температуре, соответствующей полному удалению летучих продуктов из временного связующего (от 300 до 700°С). Затем заготовку силицируют парожидкофазным методом, обеспечивая, массоперенос кремния в поры материала заготовки путем пропитки конденсатом паров кремния. Для этого заготовку и тигли с кремнием размещают в реторте, после чего осуществляют нагрев заготовок и тиглей с кремнием в вакууме при конечной температуре 1300-1400°С, создавая тем или иным способом перепад температур между парами кремния и заготовкой для создания условий образования в окрестностях силицируемых заготовок пересыщенного состояния паров кремния. Образующийся при этом конденсат паров кремния пропитывает материал заготовки. При этом конденсат паров кремния образуется только в мелких порах по механизму капиллярной конденсации. По мере заполнения мелких пор конденсатом паров кремния происходит его перетекание в более крупные поры, что приводит к уменьшению их размеров и, в конечном счете, к созданию условий для протекания в них капиллярной конденсации паров кремния.

После выдержки при конечной температуре производят регулируемое охлаждение заготовок и извлечение их из реактора.

Таким образом, использование порошков активного к кремнию элемента или соединения и инертного к нему элемента или соединения с размерами частиц в соотношении не менее чем 1:5 при неизменном их гранулометрическом составе и при размере частиц порошка инертного к кремнию элемента не более 25 мкм позволяет осуществить формирование структуры материала по смешанному типу замещения и внедрения за счет уменьшения размеров мелких пор в материале смеси и провести силицирование при конечной температуре 1300-1400°С, что обеспечивает решение технической проблемы снижения энергоемкости процесса силицирования.

Способ изготовления изделий из реакционно-спеченного композиционного материала, включающий формование заготовки на основе композиции, состоящей из мелкодисперсного наполнителя и временного связующего, обжиг сформованной заготовки при температуре, обеспечивающей полное удаление летучих продуктов из временного связующего, и силицирование заготовки парожидкофазным методом в вакууме в парах кремния при массопереносе кремния в поры материала путем капиллярной конденсации паров, где мелкодисперсный наполнитель представляет собой смесь инертного к кремнию при технологических параметрах процесса силицирования соединения и активного по отношению к нему элемента или соединения, образующих с кремнием тугоплавкие карбиды и/или силициды и/или тройные соединения, причем размер частиц порошка, активного к кремнию элемента или соединения берут меньшими размера частиц порошка инертного к нему соединения, отличающийся тем, что размер частиц порошка активного к кремнию элемента или соединения и инертного к нему элемента или соединения берут в соотношении не менее чем 1:5 при неизменном их гранулометрическом составе, при этом размер частиц порошка инертного к кремнию соединения берут не более 25 мкм, а силицирование осуществляют при конечной температуре 1300-1400°С.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к изготовлению режущего устройства. Режущее устройство содержит карбидный субстрат, содержащий кобальт, и полученный спеканием порошка слой поликристаллического алмаза.
Изобретение относится к технологиям получения химически связанного нитрида кремния и предназначено для изготовления широкой гаммы изделий - элементов и узлов химического оборудования, тиглей и элементов футеровки, применяемых в цветной металлургии, деталей и агрегатов двигательных установок автомобильного, морского, воздушного транспорта, а также наземных энергетических установок и других объектов техники, работающих при температурах до 1500°C на воздухе, в атмосфере продуктов сгорания топлив и других агрессивных средах.
Изобретение относится к зернам для изготовления керамических изделий, состоящих, по большей части, из недоксидов титана. Расплавленные зерна состоят из фаз недоксидов титана, отвечающих формуле TinO2n-1, в которых указанные фазы являются Ti5O9 или Ti6O11 или смесью двух этих фаз.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к производству керамических огнеупорных изделий на основе карбида кремния, используемых в полупроводниковой технологии, ядерной энергетике, например при изготовлении пеналов для захоронения радиоактивных отходов.

Изобретение относится к области создания высокотемпературных конструкционных керамических композиционных материалов с матрицей на основе Ti3SiC2, а именно к способу получения композитов с мультиканальной структурой, т.е.
Изобретение относится к области керамических материалов на основе корунда, использующихся в технике в качестве режущего инструмента, как носитель для никелевых, платиновых и палладиевых катализаторов, керамических мембран, применяемых для очистки сточных вод и др.

Изобретение относится к технологии пористых керамических материалов и может быть использовано для изготовления изделий, эксплуатируемых в качестве высокотемпературной теплоизоляции (или теплозащиты), термостойкого огнеприпаса, носителей катализаторов, фильтров для очистки жидких и газовых сред.

Изобретение относится к технологии композиционных материалов и может быть использовано для получения прочных, износостойких изделий, работающих в трибосопряжениях в условиях воздействия статических и динамических нагрузок.

Изобретение относится к технологии композиционных материалов - керметов и может быть использовано для получения прочных износостойких изделий, работающих в трибосопряжениях в условиях самосмазывания.

Изобретение относится к области производства хромсодержащих огнеупорных материалов, предназначенных для футеровки стекловаренных печей при варке бесщелочных алюмоборосиликатных стекол.

Изобретение относится к способу получения детали из композиционного материала, включающему этапы: получение скрепленной волокнистой заготовки, причем волокна заготовки являются углеродными или керамическими волокнами и покрыты граничной фазой; получение упрочненной и частично уплотненной волокнистой заготовки, причем частичное уплотнение включает образование первой матричной фазы на граничной фазе в результате химической пропитки из паровой фазы, и продолжение уплотнения волокнистой заготовки путем пропитки пропиточной композицией, содержащей по меньшей мере кремний и по меньшей мере один другой элемент, способный снижать температуру плавления пропиточной композиции до значения меньше или равного 1150°C.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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

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.

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).

Изобретение относится к промышленности огнеупорных материалов, а именно жаростойким бетонам, и может быть использовано при изготовлении изделий из шамотного жаростойкого бетона.

Изобретение относится к области конструкционных материалов, а именно к способам изготовления высокотемпературных, износостойких и коррозионно-стойких изделий из реакционно-спеченного композиционного материала на основе карбида кремния, и может быть использовано в ряде отраслей промышленности, в том числе авиационной. Технический результат заключается в снижении энергоёмкости процесса силицирования. Сущность изобретения состоит в формовании заготовки на основе композиции, состоящей из мелкодисперсного наполнителя и временного связующего, обжиге сформованной заготовки при температуре, обеспечивающей полное удаление летучих продуктов из временного связующего, и силицировании заготовки парожидкофазным методом в вакууме в парах кремния при массопереносе кремния в поры материала путем капиллярной конденсации паров. Мелкодисперсный наполнитель представляет собой смесь инертного к кремнию при технологических параметрах процесса силицирования соединения и активного по отношению к нему элемента или соединения, образующих с кремнием тугоплавкие карбиды иили силициды иили тройные соединения, причем размер частиц активного и пассивного элементов берут в соотношении не менее чем 1:5 при неизменном их гранулометрическом составе. Размер частиц инертного к кремнию соединения не превышает 25 мкм. Силицирование осуществляют при конечной температуре 1300-1400°С. 1 табл.

Наверх