Устройство для получения композиционного изделия

 

Сущность изобретения: устройство содержит перфорированный контейнер, поделенный на секции. В контейнере находится проницаемый наполнитель и масса основного металла, который находится в контакте со слоем проницаемого наполнителя. Секции контейнера расположены с образованием одного или нескольких компенсационных соединений для компенсации периферийного теплового расширения секций . Секции контейнера выполнены из материала , коэффициент теплового расширения которого значительно больше, чем у наполнителя. 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

COI03 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю С 04 В 35/65

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ CCCP) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4203974/33 (22) 13.01.88 (46) 15.04.93. Бюл, ¹ 14 (31) 003102 (32) 14.01.87 (33) US (71) Ланксид Текнолоджи Компани, ЛП (US) (72) Марк Стивенс Ньюкирк и Гарольд Даниэль Лежер (US) (56) Заявка ЕП В № 0193292, кл. С 04 В 35/65, опубл. 1986. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО ИЗДЕЛИЯ

Изобретение относится к устройству для получения керамических композиционных структур.

Цель изобретения — повышение качества иэделий за счет получения равномерной структуры.

На фиг.1 представлен схематичный с частичным поперечным сечением вертикальный вид устройства в соответствии с одним вариа нтом осуществления настоя щего изобретения, включающий в себя поделенный на секции контейнер; на фиг.2 — разрез по

А-А фиг.1; на фиг.3 — вид в перспективе в уменьшенном масштабе одной секции контейнера; на фиг,4 — вид сверху устройства фиг.1; на фиг.5 — вид с частичным разрезом самонесущей керамической композиционной структуры, полученной с помощью устройства фиг,1; на фиг.6 — схематичный вид сверху одного из компенсационных соединений поделенного на секции контейнера, „„ Ы„„1809828 А3 (57) Сущность изобретения: устройство содержит перфорированный контейнЕр, поделенный на секции, В контейнере находится проницаемый наполнитель и масса основного металла, который находится в контакте со слоем проницаемого наполнителя. Секции контейнера расположены с образованием одного или нескольких компенсационных соединений для компенсации периферийного теплового расширения секций, Секции контейнера выполнены из материала, коэффициент теплового расширения которого значительно больше, чем у наполнителя. 5 э.п. ф-лы, 9 ил, показывающий его конфигурацию в состоянии теплового расширения; на фиг.7 — вари-: ант компенсационного соединения; на фиг,8 — перспективный вид в разрезе друго- го варианта осуществления поделенного íà I секции контейнера; на фиг.9 — вид сверху поделенного на секции контейнера на фиг.7, оборудованного сеткой из нержавеющей стали, образующей пористое футеровочное средство для футерования поделенноп> на секции контейнера, причем состояние тейлового расширения показано пунктирными линиями.

Устройство 10 содержит поделенный на секции контейнер 12, который по существу является цилиндрическим по форме и состоит иэ трех сегментов 12а, 12Ь и 12с, как лучше видно на фиг.2. Каждая из секций 12а, 12Ь и 12с заканчивается парой противопоФ ложных продольных кромок 16а, 16а, 16Ь, 16bI и 16с, 16с. Поделенный на секции кон1809828 тейнер 12 представляет собой перфорированную конструкцию, в которой каждый из сегментов 12а. 12b и 12с имеет правильно расположенные отверстия 14, Отдельные сегменты 12а, 12b и 12с расположены относительно друг друга с расчетом образования по существу цилиндрического внутреннего объема поделенного на секции контейнера

12, внутри которого расположена масса или слой 18 проницаемого наполнителя.

Как лучше показано на фиг.2 и 4, сегменты 12а, 12Ь и 12с поделенного на секции контейнера 12 расположены ступенчато или по типу "цепочной передачи, фиг.2, при этом последовательные продольные кромки 16а, 16а, 16Ь, 16b, и 16с, 16с радиально смещены относительно смежной продольной кромки в виде чередующихся радиально внутрь и наружу рядов, так что компенсационные соединения образуются между смежными продольными кромками, например

16с и 16а, Иначе говоря, смежные продольные кромки радиально смещены относительно друг друга, Как показано на чертежах, и как определено здесь и в формуле изобретения, термин "радиальный", "радиально" или им подобный в отношении направления, размера или тому подобное, относится к направлению, которое проходит поперек окружности поделенного на секции контейнера, как например, на фиг,2 зто относится к направлению или размеру вдоль радиуса круга, аппроксимированного путем соосного выравнивания сегментов

12а, 12b и 12с, С другой стороны, термин (" периферийный" ) или ("периферийно") или им подобные относятся к направлению или размеру вдоль (периферии) поделенного на секции контейнера. Например, как показано на фиг,2, периферийное направление или размер является направлением или размером вдоль круга, аппроксимированного с помощью верхних краевых кромок сегментов 12а, 12b и 12с.

В показанных вариантах осуществления поделенные на секции контейнеры имеют в общем круглую цилиндрическую форму, и три сегмента, каждый из которых охватывает дугу круга в примерно в 120 С.

Очевидно, что может использоваться большее или меньшее число сегментов, На фиг,З показан вид в перспективе только одного сегмента 12b с продольными кромками 16b и 16b соответственно, проходящими между верхней периферийной кромкой 19Ь и нижней периферийной кромкой 21b.

Продольные кромки, образующие соответствующие показанные на чертежах секции, являются прямолинейными кромками, расположенными параллельно продольной оси поделенного на секции контейнера. Однако следует отметить, что могут использоваться другие конфигурации продольных кромок, например, спиральные или иначе искривленные продольные кромки, проходящие между верхней и нижней периферийными кромками контейнера. Далее, поделенный на секции контейнер необязательно должен иметь постоянный размер поперечного сечения по всей длине, а может по существу образовывать конус, шар, полушар или другую требуемую форму. Поделенный на секции контейнер также необязательно должен быть круглой цилиндрической конструкцией, а может быть цилиндром с овальным или полигональным поперечным сечением, Например, боковые стороны цилиндра (квадратного или прямоугольного поперечного сечения) могут быть составлены иэ плоских сегментов, имеющих компенсационные соединения, образованные между ними, Средства крепления (не показаны) могут использоваться для удерживания в положении секций контейнера.

Например, ленточный обвяэочный материал из органического полимера, который сгорает или испаряется при нагревании, может использоваться для временного крепления секций на своих местах, когда поделенный

30 на секции контейнер заполнен, и опорное средство 30, содержащее цилиндрический сосуд 32 и куски 36 устанавливаются вокруг него. Может использоваться любое другое соответствующее средство для удерживания секций в правильном выравненном по35 ложении, как например, прокладки, шайбы, монтажные зажимы при условии, что такое средство не препятствует требуемому направлению поперечного расширения от40 дельных секций поделенного на секции контейнера. Кромки секций, т.е. краевые и снабженные выемками кромки, между которыми образуются компенсационные соединения или швы показанных вариантов

45 осуществления, обычно располагаются вдоль поделенного на секции контейнера сверху вниз.

Корпус 20, являющийся источником основного металла, имеет по существу цилин50 дрическую форму и круглое поперечное сечение и содержит пару дискообразных выступов 22, 24, образованных на нем. Корпус 26 резервуара иэ идентичного основного металла, расположен сверху смежно с корпусом 20, Резервуар 26 может содержаться в слое 28 барьерного материала типа частиц, который просто не будет поддержи-. вать рост поликристаллического продукта реакции окисления в условиях ведения ïðîцесса, например, слой частиц алуна Е1 (час1809828 тицы глинозема, поставляемые фирмой

"Нортон компани ) с основным металлом в алюминиевом сплаве (10 кремния, 3 магния) на воздухе при 1250 С, Эти частицы могут иметь любой подходящий размер зе- 5 рен, например, 90. Таким образом, в поделенном на секции контейнере 12 слой 18 проницаемого наполнителя располагается от нижней периферийной кромки 21 контейнера 12 вверх примерно до уровня, опреде- 10 ляемого плоскостью Х вЂ” Х на фиг.1, и слой 28 барьерного материала располагается выше плоскости Х-Х до верхней периферийной кромки 19 контейнера 12. При необходимости, физический барьер, например, пласти- 15 на из нержавеющей стали, может быть установлен на уровне Х вЂ” Х для отделения слоя 18 наполнителя от слоя 28 барьерного материала. В этом случае,. такая барьерная пластина должна иметь отверстие для про- 20 хода расплавленного основного металла из резервуара 26 в массу 2 основного металла.

Опорное средство в общем обозначено позицией 30 (фиг.1, 2 и 4) и включает в себя цилиндрический сосуд 32, имеющий закры- 25 тую нижнюю стенку 32а (фиг,1) и ряды отверстий 34, образованных в его вертикальной боковой стенке. Цилиндрический сосуд 32 при необходимости может. быть выполнен из материала типа керами- .30 ческого материала, имеющего коэффициент теплового расширения идентичный или близкий к коэффициенту теплового расширения слоя 18 наполнителя, Цилиндрический сосуд 32 имеет больший диаметр, чем 35 поделенный на секции контейнер 12, и получаемое угловое пространство между наружной периферией поделенного на секции контейнера 12 и внутренней периферией цилиндрического сосуда 32 заполняется 40 большими кусками 36 дробленого керамического материала, Желательно, чтобы куски 36 включали материал, имеющий коэффициент теплового расширения, аналогичный или близкий козффициентутепло- 45 вого расширения цилиндрического сосуда

32 и слоя 18 нэполнителя, Используются крупные куски 36 измельченного керамического материала неправильной формы для образования достаточно большого проме- 50 жуточного пространства между ними, Таким образом окислитель в паровой фазе, например, воздух, получает свободный доступ через отверстия 34, промежуточные пространства между кусками 36, отверстия 55

14 поделенного на секции контейнера 12 и затем через слой 18 проницаемого наполнителя.

Футеровка, выполненная в показанном варианте осуществления в виде сетки 38 нержавеющей стали с открытыми ячейками, лучше видна на фигуре 2), образует внутреннюю часть поделенного на секции контейнера 12 и служит для предотвращения выпадения небольших твердых частиц слоя

18 наполнителя через отверстие 14 в поделенном на секции контейнера 12.

В типичном варианте воплощения изобретения корпус основного металла 20 и резервуар 26 содержат основной металл алюминий, и слой 18 проницаемого наполнителя содержит любой подходящий материал — наполнитель типа, который здесь описан. Поделенный на секции контейнер

12 может состоять из жаропрочного сплава на базе никеля или железа, кэк например, "Инконель", "Хастеллой" или "Инколой". или же из нержавеющей стали или любого другого соответствующего металла или сплава. Обычно такие сплавы имеют коэффициенты теплового расширения, которые больше чем коэффициенты теплового расширения слоя 18 наполнителя и поликристаллического керамического материала, образованного в результате окисления расплавленного основного металла, Устройство может быть помещено в печь, которая сообщается с атмосферой, так что воздух циркулирует в ней и служит в качестве газообразного окислителя. Устройство нагревается до температуры в границах требуемого диапазона температур выше температуры плавления, например, алюминия как основного металла, но ниже точки плавления продукта реакции окисления его кислородом воздуха. После нагревания до таких высоких температур сегменты

12а, 12b и 12с поделенного на секции контейнера 12 расширяются wa значительно большую величину, чем слой 18, После нагревания устройства основная часть теплового расширения сегментов 12э, 12Ь и 12с компенсируется, как показано на фиг,6, за счет периферийного расширения (показано пунктирными линиями на фиг,6) отдельных секций 12а, 12Ь и 12с, Таким о6разом, на фиг.6 (кэк на фиг,7 и 9) секции контейнера показаны сплошными линиями при окружающей температуре и пунктирными линиями при тепловом расширении после нагрева устройства для диапазона рабочих температур ведения и роцесса. Величина теплового расширения, показанного пунктирными линиями на фиг.6, 7 и 9, не соответствует какому-либо масштабу и немного преувеличена с целью иллюстрации.

Обращаясь к фиг,6 следует отметить, что показанное расположение дает воэможность приспосабливать тепловое расширение секций в результате периферийного

1809828

15

50

55 расширения к конфигурации, показанной пунктирными линиями, тем самым препятствуя радиальному расширению секций для уменьшения объемного расширения контейнера 12.

При этих условиях контейнер в форме поделенного на секции контейнера с компенсационными соединениями или швами между секциями снижает таким образом объемное расширение контейнера при тепловом расширении отдельных секций. Наоборот, если бы поделенный на секции контейнер 12 был бы выполнен в форме простой неподеленной на секции цилиндрической втулки, тепловое расширение в контейнере при нагревании до высоких температур, используемых для ведения процесса, привело бы к увеличению объема контейнера, так как он расширяется радиально наружу при нагревании. Благодаря делению контейнера на секции и созданию компенсационных соединений между секциями, как показано например,.на фиг.2 и 6, объемное расширение контейнера 12 снижено, и как следствие, образование пустот, трещин или других разрывностей в слое 18 при нагревании снижается или по существу устраняется, На фиг,7 показан другой вариант воплощения компенсационного соединения, используемого в соответствии с настоящим изобретением, в котором сегменты 23с и

23Ь имеют свои взаимодействующие продольные кромки 25с и 25Ь, расположенные рядом друг с другом, но на значительно большем расстоянии, чем соответствующие продольные кромки 16с и 16b в варианте осуществления на фиг.4, удлинительный элемент 17, который продольно соответствует сегментам 23с и 23Ь приваривается или иначе соединяется с сегментом 23с и в боковом направлении выходит за свою про/ дольнфо кромку 25с, оканчиваясь примерно на периферии продольной кромки 25Ь. Удлинительный элемент 17 закрывает довольно большое периферийное соединение между продольными кромками 25с и 25b таким образом помогая удерживать сетку или другое футеровочное средство, которое используется при необходимости и/или помогает удерживать частицы наполнителя в поделенном на секции контейнере 23, После теплового расширения секций поделенного на секции контейнера 12 секции и взаимодействующий удлинительный элемент 17 расширяются из положения при их окружающей температуре, показанного сплошными линиями, до конфигурации в положении теплового расширения, показанного пунктирными линиями на фиг,7.

Устройство, фиг.1, поддерживается при соответствующей температуре реакции в течение времени, достаточного для окисления расплавленного основного металла с образованием поликристаллического продукта реакции окисления, который пропитывает и заполняет наполнитель 18, чтобы образовать требуемый керамический композиционный материал. По мере расходования основного металла 20, он пополняется основным металлом иэ резервуара 26, и реакция продолжается. в течение требуемого периода времени, обычно до момента, когда выращиваемый поликристаллический керамический материал вступает в контакт с барьером, образуемым футеровочным средством, состоящим из сетки 38, футерующей деленный на секции контейнер 12. В этот момент температура снижается, и устройство охлаждается, Поделенный на секции контейнер 12 изымается из опорного средства

30 и керамический композиционный материал 40 (фиг.5) отделяется от него, Керамический композиционный материал 40 может быть получен путем разрезания по плоскости Х вЂ” X (фиг,1) или вдоль плоскости чуть ниже плоскости X — X для получения по существу керамического изделия 40, внутренняя часть которого копирует обратную форму основного металла 20. Таким образом, керамическое иэделие 40 имеет центральную полость 20, содержащую увеличенные камеры

22 и 24, которые могут быть заполнены вновь отвердевшим основным металлом при подаче основного металла, достаточной для заполнения этих объемов, пока не закончилась реакция. При необходимости отвержденный основной металл, скажем, отвержденный алюминий, может быть изъят из керамического изделия 40 путем сверления или химического травления для получения керамического изделия 40, с полым отверстием, соответствующим полости 20, которое проходит через него и содержит расширенные полые камеры.22 и 24.

На фиг,8 и 9 показан другой вариант осуществления изобретения, в котором поделенный на секции контейнер 42 состоит из трех сегментов 42а, 42b и 42с, каждый из которых имеет соответствующие противоположные продольные кромки 44а, 44а, 44b, 44b и 44с, 44с. Соответствующие верхние краевые кромки 45а, 45Ь и 45с, и соответствующие нижние краевые кромки 47а и

47с показаны на фиг.8. Нижняя краевая кромка сегмента 42Ь не видна на фиг.8. Сегмент 42а показан на фиг,6 с множеством отверстий 49, распределенных по всей поверхности сегмента 2а, хотя показаны не все. Сегменты 42Ь и 42с показаны неперфо1809828

10 рированными. Следует отметить, что обыч- образом содержал дугообразное тепо, охвано все секции контейнера являются либо тывающее дугу круга 120О. Лист нержавеюперфорированными,либонеперфорирован- щей стали имел правильное расположение ными для получения перфорированного или отверстий диаметром 0,17 см с расстоянием неперфарированного контейнера. 5 между центрами 0,24 см, Армирующие углоФутеровочное средство 46 состоит из вые связки, также изготовленные из сплава сетки из нержавеющей стали с открытыми 304 нержавеющей стали, приваривались к ячейками и содержит футеровку для внут- наружным поверхностям сегментов, распоренней части поделенного на секции кон- лагаясь продольно им. Сегменты были растейнера 42. (Футеровочное средство 46 на 10 положены по конфигурации "цевочной фигуре 8 опущено для ясности). В этом ва- передачи", как показано.на фиг.2 и 4 чертерианте осуществления каждый из сегментов жей, для получения компенсационных сое42а, 42b и 42с имеет краевой выступ 48а, 48b динений между каждыми из трех сегментов. и 48с, соответственно взаимодействующий Угловые связки устанавливались на расстос смещенным радиально наружу от взаимо- 15 янии от продольных кромок, образующих действующих участков 50а, 50Ь и 50с, кор- компенсационные соединения, с тем, чтобы пуса, которые лежат в цилиндрической не мешать периферийному тепловому расплоскости и в иллюстрируемом варианте ширениюсегментов. Поделенный насекции воплощения имеют дугообразную конфигу- контейнер имел внутренний диаметр прирацию. Заплечики 52а, 52b и 52с образова- 20 мерно 19 см, ны в местах соединения краевых выступов Цилиндрический корпус основного ме48а, 48b и 48с со взаимодействующими уча- талла помещался в поделенный на секции стками 50а, 50Ь и 50с корпуса и проходят контейнер соосно с его продольной центрадиально между ними, Краевые выступы ральной осью и погружался в нем в слой оканчиваются в соответствующих взаимо- 25 нэполнителя (соответствующего позиции действующих продольных кромках 44а, 44b 18, фиг.1), состоящего из зерен N. 90, алунд и 44с, и соответствующие накладывающие- 38 (поставляется фирмой "Нортон", дополся продольные кромки 44а, 44b и 44с смеще- ненного кремниевой присадкой, как описаны радиально внутрь от их но ниже), Резервуар основного металла взаимодействующих продольных кромок 30 (соответствующий позиции 26 на фиг.1) ус44а, 44Ь и 44с, В варианте осуществления танавливался сверху, смежноскорпусомосна фиг,8 и 9 полученная конструкция соеди- новного металла и погружался в слой нения выглядит похожей на конструкцию на (соответствующий позиции 28, фиг,1) необфиг,7 за исключением того, что вместо удли- работанных зерен N 90, алунд 38, Иначе нительного элемента 17, приваренного по- 35 говоря, слой частиц алунда, охватывающий перек каждого компенсационного корпус резервуара, не обрабатывался присоединения, краевые выступы 48 образова- садкой, Каждый корпус основного металла, ны заодно с участком корпуса отдельных включал алюминиевый сплав, содержащий секций, например, при штамповании. 10 мас, кремния и 3 мас.$ магния, котоВ показанной конструкции периферий- 40 рые служили в качестве внутренних присаныезазоры предусмотрены междусмежны- док. Устройство поделенного на секции ми секциями, Например, типичный контейнера и его содержимое монтировапериферийный зазор выполнен между за- лись на опорной конструкции типа показанплечиком 52с и продольной кромкой 44b, и ного на фиг,1, которая содержала наружный такие периферийные зазоры компенсируют 45 цилиндрический сосуд (соответствующий периферийное тепловое расширение сег- позиции 32 на фиг.1) с отверстиями для возментов 42а, 42Ь и 42с, как показано пунк- духа(соответствующих позиции 34 на фиг.1) тирными линиями на фиг.9, тем самым диаметром 1,9 см, просверленных произпрепятствуя или по существу устраняя объ- вольно, Цилиндрический опорный сосуд выемное расширение поделенного на контей- 50 полнен в виде керамического тела с нера 42. внутренним диаметром примерно 32 см из .

Использовано устройство, в целом по- глиноземистого литого огнеупора типа "AP хожее на устройство фиг.1, в котором поде- Гринкаст 94" фирмы "AP Грин корп." Кольленный на секции контейнер (соответ- цевой зазор между цилиндрическим подествующий позиции 12, фиг.1) выполнен в 55 ленным насекции контейнером и наружным виде перфорированного цилиндра из не- цилиндрическим опорным сосудом заполржавеющей стали сплава 304 N. 22, разре- няются большими кусками (соответствуюзанного параллельно продольной щими позиции 36 на фиг.1) необожженного центральной оси цилиндра на три равных по керамического материала неправильной размеру сегмента. каждый из которых таким

1809828

l4

34 формы, идентичного тому, иэ которого изго-. товлен цилиндрический опорный сосуд, Футеровочное средство (соответствующее 38 на фиг.1 и 18) было получено путем футеровки внутренней части поделенного на секции контейнера сеткой N 26 из нержавеющей стали марки 304.

Формула изобретения

1. Устройство для получения композиционного иэделия с полостью заданной формы методом Ланксайд-процесса, содержащее перфорированный контейнер, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения качества изделий за счет получения равномерной структуры, контейнер выполнен с одним разъемом, образующим компенсационный зазор, или секционным с образованием компенсационного зазора между секциями, и иэ материала, KTP которого . больше, чем KTP проницаемой массы наполнителя, находящегося внутри контейнера, 2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что секции контейнера расположены ступенчато, при этом продольные кромки каждой секции смещены относительно

5 друг друга и расположены попарно.

3. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что противоположные продольные кромки каждой секции выполнены с выступом, выходящим наружу иэ контейнера.

10 4.Устройство по п,1, отл ич а ю щеес я тем, что оно снабжено опорным средством, выполненным в виде перфорированного наружного контейнера, охватывающего внутренний, и установленного по отноше15 нию к нему с зазором, заполненным керамическим материалом. .5. Устройство по п,1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что контейнер выполнен с поперечным сечением в виде прямоугольника или

20 квадрата.

6. Устройство по п.1, î T л и ч а ю щ е ес я тем, что каждая секция контейнера выполнена с перфорированной футеровкой.

1809828

32

24

2b 2

1809828

45а

45с

42

2а

48Ь

44Ь

50с

Составитель Л Мацук

Редактор В,Трубченко Техред М.Моргентал Корректор О.К равцова

Заказ 1296 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагяпина, 101