Способ изготовления изделий из керамического композиционного материала
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ
К ПАТЕНТУ
2 (21) 4028927/33 (22) 26.01.87 (46) 0.7,0 1.93. Бюл, № 1 (31) 823542 (32) 27.01.86 (33) US (71) Ланксид Текнолоджи Компани, ЛП (US) (72) Марк C.Íüþêèðê, Эндрю В,Уркхарт и
Х.Даниэль Лешер (US) (56) Патент Великобритании ¹ 1171511, кл. С1 А опубл. 1969. (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ
ИЗ КЕРАМИЧЕСКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА (57) Изобретение касается керамических композиционных изделий и может быть использовано в различных отраслях современной техники. Цель — получение изделий с внутренней полостью. Способ включает погружение изложницы из основного металла в соответственно формующийся слой наполнителя, проницаемого для газообразной среды, и продукта взаимодействия металла с этой средой для образования в нем полости заданной формы. Сборку нагревают, чтобы расплавить изложницу из основного металла, нагрев ведут 5-95 ч и проводят выдержку при заданной температуре в течение 50-225 ч в контакте с окислителем, чтобы окислить расплавленный основной
Изобретение касается керамических композитных иэделий, содержащих одну или больше полостей. Конкретно изобретение касается керамических композитных иэделий, содержащих поликристаллическую
„„5U„„1787148. АЗ металл и образовать поликристаллический материал, который растет в окружающем наполнителе и мигрирует в сторону газообразного окислителя через ранее образовавшиеся слои продукта реакции окисления, благодаря чему полость, ранее заполненная изложницей из основного металла, освобождается от металла, После охлаждения изделие в случае необходимости освобождают от избытка. В результате остается полость, форма которой воспроизводит в обратном изображении первоначальную форму изложницы. Способ предусматривает изготовление изделий из керамического композитного материала, содержащих по крайней мере одну полость, воспроизводящую в обратном изображении форму изложницы, которая поставляет основной металл для окисления. В качестве металла используют Ti, Zr, Si, $п, алюминий, легированный по крайней мере двумя компонентами из группы Mg, Si, Cr, Fe, Zn в количестве 3,5-13 мас.%. В качестве материала наполнителя используют оксид, или нитрид, или карбид, или борид в виде дисперсного порошка, или, гранул, или волокон. В качестве газообразной среды используют воздух, азотсодержащий газ. Предусмотрено дополнительное нанесение слоя твердого окислителя (SiOz) на поверхность заготовки из алюминия. 6 з,п.ф-лы, 3 ил, матрицу, заполненную наполнителем, и по крайней мере одну полость выбранной геометрии.
При реализации способа согласно настоящему изобретению KQMAOHDBKG из ос1787148 новного металла(изложницы) и слоя(напол- настоящему изобретению обладает по сунителя) в окружаюших условиях окисления ществу первоначальными размерами и нагревается до температуры выше точки геометрической конфигурацией первонаплавления металла, но ниже точки плавле- чальной изложницы, отрегулированными в ния продукта реакции окисления, приводя к 5 отношении изменений основного металла, телу или ванне расплавленного металла, связанных с точкой плавления и дифференПри контакте сокислителем расплавленный циальным объемом теплового расширения металл будет реагировать, образуя слой во время проведения процесса относительпродукта реакции окисления. После дли- но образованного и охлажденного компотельно продолжающегося воздействия ок- 10 зитного продукта. ружающих условий окисления в пределах На фиг.1 показан жаропрочный сосуд 1, соответствующего диапазона температуры например, из глинозема, содержащий слой остающийся расплавленный металл про- (матрицу)наполнителя2, вкоторыйуложена грессивно вовлекается через продукт реак- (погружена) изложница 3 из основного меции окисления в направлении окислителя и 15 талла. Как показано на фиг.1, изложница 3 в слой наполнителя и там при контакте с имеет центральную секцию, цилиндричеокислителем образует дополнительный скую по конфигурации, и соединяет пару продукт реакции окисления, По крайней ме- концевых секций, которые аксиально короре часть продукта реакции окисления под- че, но большего диаметра, чем центральная держивается в контакте с и между 20 секция. Изложница 3 имеет конфигурацию расплавленным основным металлом и скис- гантели, содер>кащую обычно участки секлителем с тем, чтобы вызвать непрерывный ции круглых дискообразных концов, соедирост поликристаллического продукта реак- ненных центральной секцией меньшего ции окисления в слое наполнителя, тем са- диаметра. мым включая наполнитель в 25 После нагревания сборки(установки) на поликристаллический продукт реакции фиг.1 до достаточно высокой температуры, окисления, Материал поликристаллической чтобы расплавить металл, парообразный матрицы продолжаетрасти,покаподдержи- окислитель, который проникает в слой наваются соответствующие условия реакции полнителя и которьгй находится в контакте окисления. 30 с расплавленным металлом, окисляет расПроцесс продолжается дотех пор, пока плавленный металл и рост продукта реакнезакончитсяинфильтрация продукта реак- ции окисления, вытекающий из этого, ции окисления и не будет включено требуе- инфильтрует окружающий слой наполнитемое количество наполнителя. Получаемый ля. Например, когда основным металломявпродукт керамического композитного мате- 35 ляется алюминий и воздух является риала содержит наполнитель, удерживае- окислителем, температура реакции окислемый керамической матрицей, состоящей из ния может быть от 850 до 14500С, предпочо поликристаллического продукта реакции тительно от 900 до примерно 1350 С, и окисления и факультативно содержащей продуктом реакции окисления типично яводин или больше неокисленных компонен- 40 ляется альфа-глинозем, Расплавленный метов основного металла или пустот или то и талл мигрирует через образующуюся другоеодновременно.Типично вэтих поли- поверхностную корку продукта реакции кристаллических керамических матрицах окисления из обьема, ранее занимаемого кристаллиты продукта реакции окисления изложницей, что приводит к пониженному взаимосоединены более чем в одном на- 45 давлению в этом обьеме из-за непроницаеправлении измерения, предпочтительно в мости для окружающей атмосферы растутрехнаправленияхиэмерения, и включения щей корки продукта реакции окисления и металла или пустоты могут быть частично результирующему давлению, действующе° взаимосоединены. Когда процесс не дово- му на контейнерообразную корку продукта дится до уровня истощения основного ме- 50 реакции окисления. Однако слой наполниталла, полученный керамический теля 2 (или его зона опоры), окружающий композитный материал является плотным и изложницу 3, имманентно является самопо существу не содержит пустот/пористо- связывающимся при температуре самосвясти. Когда процесс завершается, т.е. когда зывания или выше нее, которая лежит выше окисляется столько металла, сколько воз 55 тОчки плавления основного металла и близможно в условиях процесса, в керамиче- ка к температуре реакции окисления, но ниском композитном материале образуются же нее. Таким образом, после нагревания до поры вместо взаимосоединенных металли- его температуры самосвязывания, но не ческих включений. Образующийся керами- раньше наполнитель или его зона опоры ческий композитный продукт согласно спекается или иначе связывается сам с со1787148
12 тоты, абразивной зернистости размером 90 меш (Нортон КО, 38 Alundum) в подходящем огнеупорном тигле.
Для каждого опыта шесть наборов с различной концентрацией присадок обрабаты- 5 вались одновременно в одной печи. Печь позволяла проникать окружающему воздуху через отверстия в ее стенках, присущие конструкции. обычных лабораторных печей, а также через вентиляционное отверстие в 10 дверке печи размером 1/4 дюйма. Номинальный цикл печи позволяет достичь заданной температуры за 5 ч. 80 ч продолжался процесс при заданной температуре, 5 ч —. процесс остывания до 600 С, 15 после чего образцы были вынуты из печи.
Керамическая основная масса имела частицы проникшего наполнителя окиси алюминия, чтобы получился связанный композитный материал., 20
Пример 5. Чтобы определить эффект роста основной керамической массы материала на базе окиси алюминия настоящего изобретения, в обьем, содержащий металлический наполнитель; добавлялась спи- 25 раль высотой примерно в один дюйм и дюйм с четвертью в диаметре из коммерческой проволоки в пять витков из сплава, состоящего из 75% железа, 20% хрома и 5 алюминия(Капйа! К0, А-1 проволока из сплава). 30
Эта проволочная спираль окислялась в течеwe 24 ч при 1200 С в атмосфере кислорода, чтобы образовать защитный поверхностный слой окиси. алюминия. Подобно процессу, описанному s примере 4, слиток, из 35 алюминиевого сплава диаметром в 1 дюйм и длину 7/8 дюйма, содержащий присадки
7% кремния, 3% магния в слое зернистой размером 90 меш окиси алюминия 99% чистоты(Нортой Ко,38Alundum), с окисленной 40 проволочной спиралью, расположенной концентрично со слитком основного металла на расстоянии 1/8 дюйма от него. Эта комбинация обрабатывалась в течение 96 ч при заданной температуре 1200 С после 45 первоначальных 6 ч нагрева печи до заданной температуры. После остывания. в течение 10 ч образец был вынут из печи, Увеличение веса целого составило 0,74, а слитка 2,56. Исследование раздела образца 50 обнаружило связанный композитный материал, имеющий эластичную фазу проволоки вместе со специальным материалом из 99% альфа окиси алюминия, захваченной в аль-. фа окиси алюминия в основной массе кера- 55 мической основы настоящего изобретения, Микрофотографический снимок при 50кратном и 200-кратном увеличении демонстрирует микроструктуры, показывающие захваченные частицы проволоки и окиси алюминия внутри поликристаллической основной массы настоящего изобретения. Это свидетельствует о совместимости способа и материала этого изобретения с материалами наполнителями в твердом виде, если они обеспечены инертным защитным слоем, чтобы отделить в ином состоянии нестабильный материал или фазу от окружающего процесса.
Пример 6. Чтобы определить эффект роста материала настоящего изобретения в двухдименсионный тканый материал подходящего материала наполнителя при производстве ком поэитного материала настоящего изобретения были проведены эксперименты с тканым керамическим синтетическим материалом из окиси алюминия (Дюпон Ко. ГР Alumina). Основной металл для этого эксперимента состоял из керамического сплава алюминия (N. 5052), содержащего 2,5% магния наряду с 1% других элементов, таких как железо, хром, кремний и медь. Два образца каждый размером
2 9 1/2 дюйма были размещены один над другим так, чтобы получился брусок из основного металла размером 2 9 1 дюймов.
Верхняя поверхность бруска была покрыта слоем; содержащим 2-5 грамм двуокиси кремния, смешанной со связывающим средством из поливинилового спирта и воды, Брусок Gblfi расположен горизонтально на слое окиси алюминия 95% чистоты, (90 меш) и накрыт с четырех сторон, оставляя верхнюю сторону (покрытую слоем двуокиси кремния) ненакрытой. На эту поверхность было положено шесть слоев ткани из окиси алюминия каждый размером примерно три на десять дюймов, которые свободно поддерживались по краям обломками огнеупорного кирпича. Этот набор размещен в печи аналогично примеру 4 и нагревался в присутствии воздуха при 1125 С в течение
180 ч. Фотография разреза полученного керамического композитного материала с синтетической тканью показывает тканый наполнитель, вовлеченный в керамическую основную массу, состоящую частично из основной масы взаимосвязанный альфа окиси алюминия и неокисленного металла, Аналогичные содержащие ткань композитные материалы были изготовлены с другими материалами, включая цирканиевую ткань и кремниевую ткань на базе карбида. Если взаимосвязь волокна с основной массой керамики не слишком сильна и основной металл и окислитель не разрушают волокно, такие композитные материалы потенциально могут извлекать выгоду из очень высокой прочности в двух измерениях приданной
1787148
10 ния процесса, образуя слой связующего вещества в виде двуокиси кремния.
Пример 2. Для иллюстрации отпечатывания обратного воспроизведения сложной геометрии в композитном материале с керамической матрицей, содержащем частицы глинозема, слой частиц из двуокиси кремния наносился с помощью органического связующего вещества на поверхность
2-дюймового резьбового стержня иэ алюминия, содержащего 10 кремния и 3 магния, Затем стержень полностью погружался чение 50 ч. Общее время пребывания в печи составило 60 ч, иэ которых 5 ч занял цикл разогревания и 5 ч цикл охлаждения.
Стержень в поперечном сечении показан на фиг.3. Композиция полученного ком20 позитного материала была подтверждена рентгеновским анализом дифракции порошка. В этом случае считалось, чта слой, нанесенный на поверхность сплава, связывался сам с собой и смежными частицами
25 глинозема для образования "зоны опоры", чтобы иметь возможность вести процесс атпечатывания поверхности.
Следует отметить, что геометрия резьбовога винта на фиг,2 и 3 является трудной
30 для воспроизведения любым традиционным способом обработки керамики, но этого легко достигается с помощью способа согласно настоящему изобретению.
П р им е р 3. Этот специфический вари-. ант реализации настоящего изобретения иллюстрирует образование сложной геометрии в композитном материале с керамической матрицей, используя слой частиц глинозема в связующем агенте и зоне апо- 40 ры. B этом эксперименте цилиндр из нержавеющей стали марки 22 использовался как контейнер для размещения основного металла и наполнителя. Контейнер имел внутренний диаметр 3 и 1/4 дюйма и отверстия диаметром 0,0625 д ойма для образования
40% открытой площади для диффузии парообразного окислителя в слое наполнйтеля.
Контейнер был футерован сеткой из нержа50 веющей стали с отверстиями диаметром
0,016 дюйма и 30% открытой площади, чтобы препятствовать утечке материала-наполнителя через отверстия контейнера. Этот контейнер или сосуд был герметизирован на ни>кнем конце с помощью колпачка из нержавеющей стали и был заполнен предварительно прокаленным гетерогенным материалом-наполнителем, содер>кащим 95 вес./, частиц альфа-глинозема ("Нортон ко",38Алундум, 90 меш) и 5 вес. двуокиси в слой глинозема (производства "Норта ко", 38 Алундум, 220 меш) и нагревался до температуры проведения процесса 1250 С в те- 15 кремния (преимущественно 100 меш или больше). Стержень из алюминия. длиной 26 дюймов и в диаметре 1 и 1/16 дюйма и легированный 10 кремния и 3% магния отливался с 16 выступами типа ребер на . своей поверхности в центральной части, составляют ей две трети его длины, который использовался для демонстрации точности воспроизведения обратного отпечатывания формы более сложной изложницы. Стержень был равномерно покрыт по всей поверхности двуокисью кремния (преимущественно размерам 100 мел или бальцы), нанесенной на нее с помощью органического связующего вещества. Стержень погружался в указанный наполнитель, содержащийся в контейнере, так, что рост керамической матрицы был симметричным и аксиальна в направлении стенок контейнера из нержавеющей стали. В ы шеп риведенная система нагревалась до температуры проведения процесса 1250 С в течение 2?5 ч, Общее время пребывания в печи составило 265 ч, из которых 10 ч приходится на цикл разогревания и 30 ч на цикл охлаждения, В списанном способе был получен коге-: зионный композитный материал, имеющий альфа-глиноземную матрицу, содержащую альфа-глиноземные частицы материала-на-. палнителя, как подтверждается рентгеновским анализом дифракции порошка.
Полость показала высокую точность воспроизводимости, обратное отпечатывание геометрии отлитого алюминиевого стержня, Хотя в качестве примера приведено лишь несколько вариантов реализации изобретения, которые подробно описаны Bblше, специалисты в этой области легко поймут, что настоящее изобретение охватывает многие комбинации и варианты кроме тех, которые приведены в качестве примера, Пример 4. Чтобы исследовать эффект роста продукта реакции окисления настоящего изобретения в зависимости ат объема материала наполнителя, включающего окись алюминия, отобранные сплавы алюминия, содержащие ряд присадок — магний и/или кремний — подвергались обработке при установлен ных температурах от 1100 до
1400 С в атмосфере воздуха, как окислителя, начиная с алюминиевых сплавов полностью в слое специального зернистого материала-наполнителя — окйси алюминия.
В каждом опыте цилиндрический образец сплава диаметром 1 дюйм и длиной 7/8. дюйма Gblll отрезан ат слитка, отлитого из расплава, приготовленного при 800-900 С.
Образец располагался вертикально в слое окиси алюминия 99,5 промышленной чис1787148 бай и связывается с растущим продуктом реакции окисления достаточно крепко, чтобы создать достаточную прочность в отношении напал нителя, окружающего образующуюся полость, т.е. зону опоры наполнителя, чтобы выдержать дифференциальное давление и тем самым сохранять внутри слоя наполнителя 2 геометрию заполненной полости, образованной в нем благодаря формовани а наполнителя в соответствии с формой изложницы. Как описано выше, если бы наполнитель самосвязывался значительно до завершения расширения основного металла при его нагревании и плавлении, самасвязанный наполнитель треснул бы или разорвался в результате расширения металла.
В варианте реализации, в котором эона опоры наполнителя 2 содержит или включает в себя спекающийся или самосвязывающийся наполнитель или связывающий или спекающий агент, пунктирная линия 4 на фиг.1 показывает размер зоны опоры в слое наполнителя 2. Так как реакция продолжается, полость в слое наполнителя, заполненная изложницей, по существу полностью опустошается в результате миграции расплавленного основного металла через продукт реакции окисления на наружную поверхность его, где он входит в контакт с парообразным окислителем и окисляется для образования дополнительного продукта реакции окисления, Продукт реакции окисления садер>кит паликристаллический керамический материал, который может содержать включения неокисленных компонентов расплавленного основного металла, После завершения реакции и опустошения объема, ранее занимаемого изложницей 4, установке (сборке) предоставляется возможность для охлаждения и образующийся керамический композитный продукт, размеры которого показаны пунктирными линиями 5 на фиг.1, отделяется от избыточного наполнителя, если такой оказывается оставленным в сосуде. Такой избыточный напалнитель или часть его может образовать когерентное тело па причине спекания или самосвязывания и может быть просто удален из керамического композитного продукта, который ега содержит, путем пескоструйной очистки крупным пескам, шлифования или тому подобное, Экономичный способ состоит в использовании обдувки металлическим крупнозернистым порошком из вещества, которое пригодно для использования и в качестве наполнителя или компонента наполнителя с тем, чтобы удаляемые наполнитель и металлический порошок и от обдувки могли повторно использоваться в качестве напалнителя в последующей операции. Важно подчеркнуть, что степень прочности самосвязывающегося наполни ..ля, необходимая для предотвращения деформации (разрушения) полости во время процесса образования композитного материала, типична значительно меньше, чем прочность образующегося композитнога материала.
Поэтому фактически вполне можно удалить самасвязанный избыточный наполнитель путем обдувки крупнозернистым металлическим порошком (дробью) без заметного ущерба для композитного продукта. В любам случае структура керамического компо15 ней формы.
В отношении отдельных компонентов наполнителя один соответствующий класс компонентов наполнителя включает те химические соединения, которые при температуре и условиях окисления процесса не являются летучими, являются термодинамически стиабильными и не реагируют черезмерно с расплавленным основным или не растворяются в нем черезмерна, Такие мате30 риалы включают окислы одного металла: алюминия АЬОз, церия Се02, гафния Hf02, лантана la20a, неадима Кб20з, празеадима, разные оксиды: самария Зв20з, скандия
Sc203, тория Th02 урана UO2i иттрия У203
35 и циркония Zr02. Дополнительно большое число соединений двух, трех и большего порядка металлов, таких как шпинель алюмината магния Mg0 АЬОз, входит в этот класс стабильных жаропрачных соединений.
Второй класс компонентов наполнителя представляют соединения, которые имманентно не явля атся стабильными при окислении и высокой температуре окружающих условий предпочитаемого варианта реализации, но котоаые в силу относительно низкой кинетики реакций разложения могут включаться в качестве фазы напалнителя в
45 растущем керамическом образовании, При50 мерам является карбид кремния. Эта вещество окисляет полностью в условиях, необходимых для окисления, например, алюминий кислородом или воздухом в соответствии с изобретением, если бы не было защитного слоя окиси кремния, которая образуется и покрывает частицы карбида. кремния, чтобы ограничить дальнейшее окисление карбида кремния, Защитный слой окисла кремния также дает возможность частицам карбида кремния спекаться зитнога продукта, имеющего образованную в нем полость, может дальше подвергаться обработке для получения требуемой формы путем абточки или шлифования или иным
20 способам, доводя изделие до нужной внеш1787148 или связываться самим с собой и другими влияют на морфологию роста результируюкомпонентами наполнителя в условиях ре- щего продукта реакции окисления. акции окисления в процессе, в который вов- Другие добавки, которые эффективны лечены алюминий в качестве основного для содействия поликристаллическому разметалла и воздух или кислород в качестве 5 витию реакции окисления в отношении систем на базе алюминия в качестве основного
Третий класс соответствующих компо- металла, относятся к группе, состоящей, нанентовнапалнителяпредставляюттакиеве- пример, из кремния, германия, олова и щества, какуглеродные волокна, которые не свинца, особенно, когда используются в считаются на основаниях термодинамики 10 комбинации с магнием или цинком. Одна или кинетики выдерживающими условия или больше из этих добавок или соответстокисления или воздействие расплавленного вующий источник их легирования в системе алюминия, применяемый в предпочитае- основного металла алюминия при концентмом варианте реализации, но которые могут рациях каждой от примерно 0,5 до 15 вес,% быть сделаны совместными со способом, 15 от общего сплава, однако более необходиесли 1) условия сделаны менее активными, мые кинетика роста и морфология роста донапример, благодаря использованию в ка- стигаются при концентрациях добавок в честве окисляющих газов, или 2) путем на- диапазоне примерно от 1 до 10 вес.% от несения на них покрытия, как оксид всего сплава основного металла. Свинец в алюминия, который делает вещества кине- 20 качестве добавки обычно легируется в остически нереактивными в условиях окисле- новном металле на базе алюминия при температуре по крайней мере 1000 С, создавая
Добавка или добавки 1) могут образовы- возможность в отношении его низкой расваться как легирующие компоненты основ- творимости в алюминии, однако добавленого металла, 2) могут наноситься по 25 ниедругихлегирующих компонентов, таких крайней мере на часть поверхности основ- как олово, будет вообще увеличивать расного металла, или 3) могут наноситься на творимость свинца и создавать возможнаполнитель или часть слоя наполнителя, ностьлегирующемувеществувводитьсяпри например, на зону опоры наполнителя, или более низкой температуре. же может использоваться любая комбина- 30 Изобретениедалееиллюстрируется ниция из двух или более вышеперечисленных жеприведенными примерами, не являющиспособов1),2) и 3). Например, легированная мися ограничивающими. добавка может использоваться в комбина- Пример 1. Для иллюстрации отпечации с добавкой, наносимой снаружи. В слу- тывания обратного воспроизведения сложчае способа 3), когда добавка или добавки 35 ной геометрии в композитном продукте с применяются кнаполнителю, нанесение их керамической матрицей, содержащей часможет сопровождаться JllQGblM соответству- тицы карбида кремния, алюминиевый стерющим способом как, например, дисперги- жень с резьбой, имеющий диаметр 1 дюйм рование добавок в части или во всей массе и длину б дюймов и содержащий 10% кремнаполнителя в виде покрытий или форме 40 ния и 3% магния, он был полностью погрумакрочастиц. жен в слой карбида кремния (производства
Полезные добавки для основного ме- "Нортон ко",39Кристалон,90меш)инагреталла алюминия, в частности, с использова- вался до температуры проведения процесса нием воздуха в качестве окислителя, 1125 С в течение 72 ч в атмосфере воздуха. включают в себя, например, металл магний, 45 Общее время нахождения в печи составило металл цинк, в комбинации друг с другом 87 ч, из которых 5 ч составили цикл разогреили в комбинации с другими добавками, как вания и 10 ч цикл охлаждения. описано ниже. Эти металлы или соответст- Полученный композитный материал вующие источники металлов могут быть ле- был разрезан поперек, чтобы видетьотпечагированы в основной металл на базе 50 тываниерезьбовогостержня вкомпозитном алюминия при концентрациях каждого меж- материале, состоящем из глиноземной кеду 01 и 10 вес.%, исходя из общего веса рамической матрицы и карбида кремния результирующего добавленного металла, (фиг.2). Композиция полученного композитКонцентрация любого одного металла — до-- ного материала была подтверждена рентгебавки зависит от таких факторов, как ком- 55 новским анализом дифракции порошка., бинация добавок и температура процесса. В этом примере самосвязы веющий слой
Концентрации в этом диапазоне вызывают наполнителя, который отмечался, считался инициирование керамического роста, уси- следствием частичного окисления частиц ливают миграцию металла и благоприятно карбида кремния при температуре проведе13
1787148
20
30
50 тканью и/или увеличения плотности композитного материала.
Пример 7, Чтобы показать рост нитрида циркония в объеме, состоящем из наполнителя, и для этого изготовить композитный материал из наполнителя с основной массой нитрида циркония, цилиндрический с-гержень иэ циркония 3/4 дюйма высотой и 1/2 дюйма диаметром, был заключен в слой в порошок диборида циркония (размер - 100+ 325 меш). Система нагревалась в индукционной печи непосредственным соединением с цирконием в течение 15 мин при заданной температуре немного выше 2000 С в формовочном газе (96% азота и 4% кислорода), текущем со скоростью 400 см /мин.
Результатом был рост основной массы нитрида циркония в объеме, содержащем наполнитель диборид циркония, и получение связанного композитного материала из нитрида циркония и диборита циркония, Рентгеновская дифракция порошка подтвердила присутствие нитрида циркония и диборита циркония в полученном компоэитном материале.
Предыдущая процедура была повторена с той только разницей, что нитрид циркония рос в объеме содержащий порошок нитрида циркония (размер 1-5 мкм) и формовочный газ окислительной атмосферы протекал со скоростью 200 см /мин. Рост .основной массы нитрида циркония в напол. нитель натрид циркония привел к образованию композитного материала, связанного иэ нитрида циркония с нитридом циркония.
Рентгеновская дифракция порошка подтвердила композицию нитрида циркония в конечном продукте.
Пример 8. Чтобы показать рост натрида титана в объеме, содержащем наполнитель, изготовляя композитный материал из наполнителя с основной массой нитрида титана, цилиндрический слиток титана размером 3/4 дюйма высотой и 1/2 дюйма диаметром был помещен в слой окиси алюминия (38 Alundum 90 меш), Эта система нагревалась в индукционной нагревательной печи прямым соединением с титаном в течение 2,5 ч при заданной температуре примерно 2000 С в формовочном газе, текущем со скоростью 400 см /мин, Эта система продемонстрировала рост нитрида титана в объеме, содержащем окись алюминия, производя композитный материал, связывающий нитрид титана с. окисью алюминия. Анализ этого композитного материала рентгеновской дифракцией подтвердил присутствие нитрида титана, окиси алюминия и следов металла титана, Предыдущая процедура была повторена за исключением того, что в качестве наполнителя использовался порошок нитрида титана. Реакция протекала в течение 20 мин при заданной температуре, несколько превышающей 2000 С.
Описанный процесс произвел композитный материал из связанных нитрида титана с нитридом титана. Рентгеновская дифракция порошка подтвердила композицию нитрида титана в композитном материале.
Предыдущая процедура была повторена снбва эа исключением того, что в качестве наполнителя использовался порошок диборид титана и чистый азот — как окислитель атмосферы. Реакция протекала в течение 10 мин и азот — со скоростью 600 см /мин, Рентгеновский дифракционный анализ порошка из связанных нитрида титана и диборита титана.
Пример 9. Чтобы продемонстрировать использование композитных наполнителей, содержащих окись циркония, альфа окись алюминия, вырос способом этого изобретения в объеме коммерчески доступного (Иойол ZF Alundum) материал абразивной зернистости, содержащий окись алюминия и циркония, В этой демонстрации цилиндрический слиток коммерчески доступного алюминия 380.1, размером 1 дюйм длиной и
7/8дюйма диаметром, был размещен в слое описанного выше материала окиси алюминия-циркония. Система нагревалась в печи сопротивления до заданной температуры реакции 1000 С в течение 95 ч в воздушной атмосфере, Рост продукта реакции окисления альфа окиси алюминия в массу окиси алюминияциркония привел к формовэнию компоэитного материала, связавшего окись алюминия и циркония, где материал был захвачен основной массой альфа окиси алюминия в процессе настоящего изобретения
Рентгеновский дифракционный анализ порошка получившегося материала подтвердил присутствие окиси алюминия эльфа и окиси циркония. Коэффициент увеличения веса этой системы составил 0,32, показывая существенное окисление алюминия предшественника в наполнитель из окиси элюминия-циркония.
Предыдущая процедура была повторена за исключением того, наполнитель был заменен на порошок окиси циркония. (Muscle Sheets стабилизированный окисью кальция — 30 меш). Существенное окисление. отливки из алюминия в массу, содержащую окись . циркония, произошло производя
1787148 композитный материал, связавший окись алюминия альфа и окись циркония, что было подтверждено рентгеновской дифракцией порошка.
Пример 10. Чтобы показать перерастание основной массы окиси олова в массу, содержащую частицы окиси алюминия (-75+100 меш), в результате чего получается композитный материал из окиси олова и окиси алюминия, цилиндрический слиток 2 см длиной и диаметром 3 см был размещен в слое окиси алюминия. Система нагревалась при заданной температуре 1100 С в воздушной атмосфере в течение 48 ч, Олово окислилось и основная керамическая масса переросла в наполнитель из окиси алюминия, с образованием композитного материала из связанных окисей олова и окиси алюминия. Рентгеновский дифракционный анализ порошка подтвердил присутствйе окиси олова и окиси алюминия альфа в полученном материале.
Увеличение единицы веса этой системы составило 0,28 по сравнению с теоретическйм увеличением веса для окиси олова
0,27; следовательно, окисление предшест- венника олова в слое окиси алюминия альфа было в значительной степени полным.
Пример 11. Чтобы продемонстрировать перерастание основной массы окиси алюминия альфа в материал-наполнитель из "пузырчатой".окиси алюминия, то есть полых тел из окиси алюминия (Norton, Е 163
Alundum размер 4 до 28 меш.) при различных температурах процесса, цилиндрические слитки размером один дюйм в длину и
7/8 дюйма в диаметре из нескольких сплавов алюминия в некоторых случаях с присадками снаружи были размещены по отдельности в слое наполнителя. Сплавы обрабатывались в воздушной атмосфере при заданных температурах в пределах 9501250 С и в двух временных режимах — 48 и
80 ч. Проверка образцов подтвердила формование композитных материалов cnocbбом этого изобретения, причем каждый композитный материал содержал основную массу из окиси алюминия эльфа и наполнителя пузырчатой окиси алюминия, Пример 12. Чтобы продемонстриро. вать формование композитного материала, имеющего основную массу из нитрита кремния, 10, 70 г кремниевых частиц 98,,4%-ной чистоты были помещены в слой, содержащий 90 вес.ч. порошка нитритэ титана (-325 меш) и 10 вес.ч. металла титана (металл титан добавлен, чтобы увеличить влажность расплавленным кремнием), система нагревалэсь до температуры реакции 1500 С в
15 дение,отличающийся тем,что, сцелью
- получения изделия с внутренней полостью, 30
40
50 или борнд
25 течение 30 мин в атмосфере формовочного газа, текущего со скоростью 600 см /мин.
Рентгеновский дифракционный анализ порошка и исследование образцов, произведенных описанным способом, подтвердили присутствие наполнителя нитрита титана, формование нитрита кремния, а также превращение металла титана в слое в нитрит титана. Керамографическое и энергетическое распределение в образцах, показанное рентгеновским анализом, свидетельствует о формовании связанного композитного материала . содержащего основную массу нитрита кремния.
Формула изобретения
1. Способ изготовления изделий из керамического композиционного материала, включающий формование металлической заготовки, размещение ее в проницаемом слое огнеупорного материала, нагрев, выдержку в газообразной среде, реакционноспособной по отношению к металлу, при температуре, превышающей температуру плавления металла, но меньшей температуры продукта его реакции со средой, охлажповторяющей конфигурацию металлической заготовки, заготовку размещают в материале, проницаемом как для газообразной среды, так для продукта реакции расплавленного металла с газообразной средой, нагрев ведут в течение 5-95 ч, выдерживают в течение 50-225 ч до полного проникновения продукта взаимодействия металла с газовой средой в проницаемый материал, а после охлаждения изделие, в случае необходимости, освобождают от избытка этого материала.
2, Способ по п.1, о т л и ч à io шийся тем, что в качестве металла заготовки используют титан, или цирконий, или кремний, или олово, или легированный алюминий.
3. Способ по и 2, отличающийся тем, что используют алюминий, легированный по крайней мере двумя компонентами из группы Mg, Si, Сг, Fe, Zn B количестве
3,5-13 мас.%.
4, Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве огнеупорного материала используют оксид, или нитрид, или карбид, 5. Способ по п4, отличающийся тем, что огнеупорный материал используют в виде дисперсного порошка, или гранул, ИЛИ ВОЛОКОН.
1787148
Составитель B,Ìàòâååâ
Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор №Шмакова
Редактор
Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101
Заказ 266 Тираж Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета ло изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-З5, Раушская наб., 4/5
