Способ изготовления полых тонкостенных керамических изделий

 

(I I) 887I75

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 05.10.79 (21) 2825891/29-33 с присоединением заявки № (51) Р < Кп 3

В 28В 1Г30

С 04В 35/56

СССР по делам изобретений и OTKpblTHII (43) Опубликовано 07 .12.81. Бюллетень № 45 (45) Дата опубликования описания 07.12.81 (53) УДК 666.764.5 (088.8) (72) Авторы изобретения

С. М. Кац, Н. Г. Чубеико и И. А.. Baxcip .

/ (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛЫХ ТОНКОСТЕННЫХ

КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Государственный комитет (23) Приоритет

Изобретение относится к области порошковой металлургии, связанной с изготовлением деталей из тугоплавких металлов, оксидов, керметов, карбидов, нитридов и подобных соединений, и может быть использовано при изготовлении футеровок высокотемпературных газовых трактов энергетических установок, многоэкранных теплоизоляций, чехлов термопар, интерметаллидных сверхпроводящих соленоидов и т. п.

Тонкостенные изделия из ряда тугоплавКНх металлов и соединений могут быть получены методом химического газофазного осаждения (1).

Тонкостенные изделия получают при этом аналогично покрытиям, с той лишь разницей, что подложку, на которой осаждают слой нужной толщины, удаляют. Таким путем изготавливают, например, тонкостенные изделия из пирографита, пиролитического иитрида бора, из карбографитов.

Существенным недостатком мето а газофазного осаждения является невозможность получения осадков из сложных сплавов, твердых растворов и других многоэлементных и неоднофазных композиций. Процесс весьма сложен аппаратурно. Полученные этим методом заготовки также имеют шероховатые поверхности и нуждаются в

2 дополнительной механической обработке, например в шлифовании.

Известен также способ изготовления многоэкранных теплоизоляций из карбидов

5 и других тугоплавких соединений. По этому способу изоляцию из экранов с порошковым разделителем изготавливают путем отливки пластифицированных керамических экранов и последующего спекания. После !

О спекания экраны собирают в пакеты и калибруют при 1700 †27 С под нагрузкой (2).

Основной трудностью осуществления способа является то, что для обеспечения тре15 буемых точных размеров и формы изделия после спекания необходимо фольговые экраны, собранные в пакет, подвергать специальной калибрующей обработке при высокой температуре (обычно 2000 †25 С).

20 Эта операция трудна, так как требует обращения с очень тонкими, хрупкими фольгами. К тому же метод горячей калибровки не позволяет получать цельно цилиндрические детали, и их приходится делать состав25 ными, например, из двух полуцилиндров.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ получения полых керамических изделий, включающий изготов30 ление ленты из пластифицированных масс

88 1 5

65 на основе кремния, намотку ffa шаблон, удаление шаблона с последующим надеванием получснпо."о полуфабрика.1а па стальной цилин!р, нагрев до 200 С и высокотсмгератуный обжиг при 1350 — 1450 С в атмосфере азота (3).

Недостатком этого сffooооа является коробле11пе изделий.

Цель изобретения — исключ IIIIO короблсния изделий.

Цель достигается тем, что в способе изготовления полых тонкостенных керамических изделий, включающем получение лент из пластифицированных масс с порошковым керамическим наполнптелсм намотку их на шаблон, удаление шаблона и спекание изделий, в качестве порошкового керамического наполнителя используют карбиды тугоплавких металлов, шаблон выполняют из графита, перед намоткой на шаблон последовательно наносят барьерный слой карбида тугоплавкого металла и слой парафина или сахарозы или сплава Вуда, толщина которого на 1 — 10О11О меньше величины линейной усадки лент, спекание проводят в вакууме, после чего шаблон у,даляют.

При этом пластифицированные ленты соединяют в замкнутые кольца путем склейки эталоном.

Толщина спекаемого по предлагаемому способу изделия может быть получена в достаточно широких пределах — от 20 до

1000 мкм в случае однослойных изделий и до 2 — 5 мм при изготовлении изделия из нескольких слоев одного и того же или разнородных тугоплавких материалов, Тонкие пластифицированные металлические или керамические пленки толщиной

20 †10 мкм (предпочтительно, 100—

300 мкм), могут быть изготовлены, например, прокаткой ленточных полуфабрикатов, пластифицированных раствором каучука с эпоксидной смолой, или путем экструдирования суспензии порошка тугоплавкого соединения в спирто-эфирном растворе поливинилбутираля на подложку из полиэтилентерефталата. Наиболее тонкие ленты минимальной толщиной 15 — 20 мкм получают путем экструдирования упомянутых суспензий. Дисперсным наполнителем суспензий может служить порошок тугоплавкого соединения, например, монокарбидов МЬС, ТаС, TiC и др., сложных карбидов NbC — ХгС, ZrC — ТаС вЂ” и т. п.

Наиболее:просто предлагаемым способом может быть изготовлено однослойное цилиндрическое кольцо толщиной от 20 до

200 — 300 мкм. Пленку, отлитую, например, из суспензии с карбидным наполнителем, обертывают .вокруг цилиндрической подложки, на которой образован слой удаляемого вещества. Л в качестве удаляемого промежуточного слоя наиболее удобно использовать парафин, сахарозу или сплав

Зо

Вуда; нз ппх парафин предпочтителен. Толщина проме куточного слоя не может быть очень значительной и ограничена 5 — 10 мм; при большой толщине может произойти самопроизвольное гофрирование ленты в процессе спекания. Поскольку усадка пластиf(IfffHpoaa IIIII пленок обычно составляет

l5---20, о, То максимальный внутренний диаметр спеченного кольца «оставляет соответственно li3 — 80 мм.

Пленку, плотно обернутую вокруг шаблона с промежуточным слоем, необходимо зафиксировать, «сшить». Эта «сшивка» при применении пленок, QTJlHTblx на поливинилбутиральной и подобной высокомолекулярной органической связке, производится путем склейки внахлестку концов пленки, смоченных этанолом. В качестве материала шаблона рекомендуется использовать обычный графит, легко поддающийся механической обработке.

Для предотвращения карбидизации на графитовый шаблон наносят барьерное покрытие, например, пиролитический карбид ниобия толщиной 20 — 100 мкм путем осаждения из газовой фазы.

Многослойные трубки могут быть изготовлены .подобным же образом, применяя навивку на шаблон многовитковой спирали из пластифицированных лент. Количество слоев может достигать 10 — 20. При увеличении числа слоев затруднено получение плотного кольца после спекания, так как внешние слои будут садиться со все возрастающим зазором. Увеличение плотности кольца может быть достигнуто, если толщину промежуточного удаляемого слоя делать на 1 — 10О О меньше величины линейной усадки пластифицированных лент. Указанное уменьшение толщины слоя полезно и при изготовлении однослойного кольца, так как позволяет создать небольшой натяг кольца на подложке и тем самым обеспечить более плавную и точную цилиндрическую форму.

При изготовлении многослойного изделия из разнородных материалов, HMpfofflHx разную температуру начала спекания, слои необходимо укладывать на шаблон так, чтобы внутренние слои имели температуру спекания более низкую чем наружные и спекались раньше наружных.

Предлагаемый способ поясняется схемами, приведенными на фиг, 1 — 3.

На шаблон 1 с промежуточным слоем 2 помещают пластифицированную .пленку 3 (фиг. l,а). При правильно выбранной толщине слоя 2 .пленка после спекания (фиг.

l,б) плотно облегает шаблон. Благодаря сшивке концов пленки она после удаления шаблона не расходится, получается тонкостенная деталь (фиг. 1,в), форма и размеры которой точно соответствуют наружноц поверхности шаблона, 887175

1О

15 о

55

11а фиг. 2,а показана пленка в виде многослойной спирали 3, уложенной через IIpoмежуточный слой 2 на шаблон 1. На шаблоне имеется барьерное покрытие 4. После спекания спираль плотно облегает шаблон (фиг. 2,o). Снятая с шаблона спираль принимает вид, представленный на фиг. 2,в.

На фиг. 3 показана схема укладки многослойной спирали двух пленок 3 и 5 из разнородных материалов.

Пример 1. Изготавливают однослойную гильзу из карбида ниобия диаметром

30 мм и длиной 60 мм. Пленочную заготовку отливают на полиэтилентерефталатную ленту из суспензии, содержащей тонко измельченный порошок карбида ниобия (удельная поверхность 3 м -/г), а в качестве связующего — поливинилбутираль, пластифицированный дибутилсебацпнатом в комплексном органическом растворе. Отлитую пленку TQJIIIIHEIQH 120 мкм высушивают и отделяют от ленты. Из .пленки вырезают полоски 120)(75 мм. Полоску закрепляют на графитовом шаблоне цилиндрической формы диаметром 30 мм с толщиной стенки 1,5 мм, на котором был отлит слой парафина толщиной 3,5 мм. Обжиг производят в вакуумной печи при вакууме не ниже

1 10 — мм рт. ст. при температуре 1800"C (скорость подъема 350 град/ч) и выдержке при конечной температуре 30 мин, После обжига усадка гильзы составила около

20 /ц, в результате усадки гильза плотно облегает графитовый шаблон, приобретя ровную цилиндрическую форму. Затем с графитового шаблона осторожно снимают карбидную гильзу. Химический состав гильзы — Nb Cp,д,.

Пример 2. Изготавливают восьмислойную гильзу из твердого раствора ZrC—

NbC с внутренним диаметром 30 мм, длиной 60 мм и толщиной стенки около 1 мм.

Пленочную заготовку отливают па полиэтилентерефталатную ленту из суспензии, содержащей тонкоизмельченный порошок сложного карбида Zrp

Этой полосой обматывают графптовый полый цилиндрический шаб.топ диаметром

30 мм с толщиной стенки 1,5 мм, на котором был слой парафина толщиной 3,5 мм.

Обжиг производят в вакуумной электропечи с карбидниобиевыми нагревателями при температуре 2500 С и вакууме не ниже

1.19 — мм рт. ст. с выдержкой при конечной температуре 30 мин.

Пример 3. Изготавливают многослойную комбинированную гильзу, состоящую из восьми слоев вольфрама и расположенных под ними восьми слоев твердого раствора ZrC — ТаС. Пленочные заготовки отливают аналогично предыдущим примерам из суспензий, содержащих соответственно тонкомолотый (30 ч помола) порошок вольфрама, а также другие заготовки, порошок сложного карбида Его,еь Гав,35Сp,вв.

Из отлитых пленок после сушки и отделения от ленты вырезают заготовки шириной 75 мм и длиной 1 м каждая. Ленточные заготовки наматывают последовательно по спирали на графитовый полый шаблон аналогично, предыдущим примерам.

Шаблон имеет покрытие из карбида ниобия, осажденного из газовой фазы, толщиной около 50 мкм. Обжиг производят в вакуумной электропечи с карбидниобиевыми нагревателями при температуре 2400 С и вакууме не ниже 1.10 мм рт. ст. с выдержкой 2 ч. После обжига и удаления графитового шаблона была, получена гильза с внутренним диаметром 30 мм, наружным диаметром 34 мм, толщиной стенки

2 мм и длиной 60 мм.

Формула изобретения

1. Способ изготовления полых тонкостенных керамических изделий, включающий получение лент из .пластифицированных масс с порошковым керамическим наполнптелем, намотку их на шаблон, удаление шаблона и спекание изделий, отл ич а ю щи и с я тем, что, с целью исключения коробления изделий, в качестве порошкового керамического наполнителя используют кароиды тугоплавких металлов, шаблон выполняют из графита, перед намоткой на шаблон последовательно наносят барьерный слой карбида тугоплавкого металла и слой парафина или сахарозы или сплава Вуда, толщина которого на 1 — 10 / меньше величины линейной усадки лент, спекание,проводят в вакууме, после чего шаблон удаляют.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пластифицированные ленты соединяют в замкнутые кольца путем склейки эталоном.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Аварбэ P. Г. Химическое газофазное осаждение тугоплавких материалов. Л., 1976.

2. Авторское свидетельство СССР № 586151, кл. С 04В 35/62, 1976.

3. Патент Англии № 1375223, кл. Е 2Р, опублик. 1974.

887175

Фиг. Z фиг. Я

Составитель В. Соколова

Корректор Н. Федорова

Редактор Л. Павлова

Техред И. Пенчко

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ 2505/5 Изд. № 626 Тираж 634 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5