Способ изготовления самонесущего керамического композита

 

Изобретение относится к способам получения самонесущих керамических тел, содержащих карбиды металла группы IV А. Для этого осуществляют контакт проницаемой массы наполнителя с расплавленным металлом группы IV А. Расплавленный металл держат в контакте с проницаемой массой в течение достаточ-. ного промежутка времени, чтобы расплавленный металл пропитал проницаемую массу и прореагировал с источником углерода для образования композита из карбида металла группы IV А. Наполнителем может быть карбид металла группы IA или , другой инертный материал, или их смесь. 7 з.п.ф-лы, 1 ил.

кл (54) (2 1) (22) (46) (31) (32) (33) (71) (72)

На

Да (56) 4203985/33

12,01.88

30.08.93. Бюл, N 32

002823

13,01.87

US

Ланксид Текнолоджи Компани ЛП (US)

Адам Ян Инсинг, Эдвард Стэнли Льюс, асимха Сриниваха, Рагхаван (СА) и ни Рэй Уайт (US)

Патент США N. 3288573, 9-182.8, 1966, Заявка cDPГ N 3108266.

04 В 35/56, 1982.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ САМОНЕЕГО КЕРАМИЧЕСКОГО КОМПОЗИТА (57) Изобретение относится к способам получения самонесущих керамических тел, содержащих карбиды металла группы

IV А. Для этого осуществляют контакт проницаемой массы наполнителя с расплавленным металлом группы IV А.

Расплавленный металл держат в контакте с проницаемой массой в течение достаточного промежутка времени, чтобы расплавленный металл пропитал проницаемую массу и прореагировал с источником углерода для образования композита из карбида металла группы IV А. Наполнителем может быть карбид металла группы IA или, другой инертный материал, или их смесь.

7 з.п.ф-лы, 1 ил.!

Изобретение относится к способам пол.1 л в учения самонесущих керамических тел, содер жащих карбиды титана. гафния или

1 цир ония, и к изделиям, полученным такими спо обами.

Значительный интерес представляет исп льзование керамических и керамических композиционных материалов в ряде обл стей промышленности, применение их, свя анное с электричеством, и в качестве

KQH трукционных материалов. Ряд характерис ик этих материалов, такие, как твердос ь, огнеупорность, тепло, и эле троизоляция, могут с пользой применят ся в зависимости от конечного использования. Кроме того. керамика и кер мические композиционные материалы представляют заманчивую альтернативу ет ллам дл. . многих существующих казначений, а также обеспечивают разработку новых компонентов, для которых металлы или о другие материалы непригодны. вкЪ

Существуют, однако, ограничьния при (ф замене металлов керамикой, и разработка и (1 производство керамических компонентов р для технологически улучшенных применений сопровождаются некоторыми проблемами. Известные методы изготовления керамнч-.".êèxк:.омпонентов включают роно- ЧО ванное на порошках производство чаще всего при повышенных температурах и давлениях такие. как горячее нрессование. Эта технология производства керам ки обнар. живает ряд недостатков. 1ти с-- i или недостатки сод=-р:: "- .;:;-р . ео,:.:з" .НЕНИЕ ПРОПОРЦИЙ, О РаНИЧЕН м:-., ЗМОж Ости полу,ить слс: ые Форм"

СТОИМОСТЬ СГ:ЕКтти .

1838279

10

25

55 статочная воспроизводимость свойств порошка от партии к партии, значительная усадка при спекании. Настоящее изобретение преодолевает эти ограничения и недостатки и представляет .новый способ . надежного получения огнеупорных композиционных материалов из карбида металла.

Керамические карбиды хорошо известны в технике и широко изучаются в производстве керамики. Кроме того, компоненты из этих материалов, полученные по традиционным технологиям переработки порошка, достигли определенного коммерческого успеха. Другой процесс был разработан для производства силиконицированного карбида кремния, с помощью которого получают самоподдерживающее керамическое тело.

В одном таком процессе, известном как процесс REFEL, расплавленным кремнием пропитывают пористый брикет из углерода и карбида кремния. Расплав .. .;:, и кремни и взаимодействует с углеродом, образу::. дополнительно карбид кремния, который частично заполняет пустоты в брикете.

Конечные керамические компоненты сравнительно плотные и хрупкие, имея в своем составе карбид кремния и кремний, Хотя этот процесс стал хорошо известен, в область применения патента обширна, в нем нечего не говорится. о том, что процесс

КАЕЕ1 или другие сложные процессы являются при(одными для других элементов или металлов. В сущности, кремний - единственный элемент в группе IV В Периодической таблицы, который образует керамический карбид в результате взаимодействия расплавленного элемента с углеродом, и поэтому нет оснований полагать,:по дру ив металлы могут быть использов ны в подобном процессе., Жаропрочные изделия описываются в патенте. Согласно основным положениям этого патента, в нем описывается композит, содержащий частицы графита, покрытые карбидообразующим материалом, в том числе: титан, цирконий, гафний, ванадий, никель, тантал, хром. молибден, вольфрам, кремний, По технологическому процессу, описанному в этом патенте, предварительно нагретое пористое графитовое тело пропитывали расплавленной массой кремния, или другим аналогичным металлом, который частично взаимодействует с графитовыми частицами, образуя оболочки карбида вокруг каждой частицы. Вследствие того, что конечный продукт содержит свободный углероД, он проявляет определенные свойства графита, наиболее заметно — термостойкость. Среди материалов, обладающих потенциально лучшими свойствами для специальных компонентов, находятся карбиды металлов группы И А: титан, цирконий и гафний. Известно, что для получения карбидов титана, циркония и гафния способом, известным как самопроизвольно распространяющийся высокотемпературный синтез, в котором порошковая смесь металла с углеродом зажигается местным нагревом таким образом, что фронт горения распространяется на всю смесь, образуя в результате карбид металла, Основным, недостатком этого метода, однако, является тот факт, что при сгорании адсорбированных примесей происходит сильное выделение газов, которое является причиной образования пор и неоднородной микроструктуры, Пористость также может быть вызвана плавлением продукта реакции в результате интенсивного тепловыделения во время реакции, после чего происходит местная усадка при затвердевнии, В некоторых случаях можно добиться улучшения микроструктуры путем повышения давления во время горения.

Известен способ получения композиционного материала путем размещения заготовки из смеси керамического наполнителя, например, из группы карбидов, и источника углерода в кокотке с металлом с последующим нагревом до температуры, превышающей точку плавления металла, и выдержкой, что обеспечивает миграцию продукта реакции металла с углеродом споровое пространство наполнителя.

В общих чертах настоящее изобретение предоставляет новый и улучшенный способ получения керамических изделий содержащих карбиды металлов группы IVA. В общем смысле, способ, описанный в изобретении, содержит стадии подготовки ванны основного металла, выбранного из группы, состоящей из титана, циркония и гафния {металлы группы И А), и приведение его в поверхностный контакт с проницаемой массой, состоящей из материала наполнителя и источника углерода для взаимодействия с расплавленным основным металлом с образованием его карбида, Доля углерода в свободном состоянии или в соединении составляет стехиометрическую величину, соответствующую металлу группы И А с тем, чтобы в основном весь углерод прореагировал. Материал наполнителя содержит, по крайней мере, один карбид металла группы

И А, или другой относительно инертный наполнитель или их комбинацию.

Наполнитель из карбида металла определенной формы смешивают с источником углерода для образования проницаемой массы или слоя, которому желательно придать форму брикета. Кроме того. слой, или!

838279 б икет, может содержать один или более о носительно инертных наполнителей в кач стве армирующего средства, такие, как о сиды, карбиды, нитриды, бориды металла и т.д. Материал наполнителя, или карбид м талла группы 1\/ А и/или другой наполнИт ль также служит в качестве разбавителя д я того, чтобы контролировать экзотермич ский характер реакции углерод-металла.

Д я удобства источником углерода может б ITb элементарный углерод, присутствующ й, например, в виде частиц графита, смеш нных с наполнителем для образования и ристого слоя или брикета. Где необходи15 м, источником углерода может быть карбид м талла, способного восстанавливаться, т к как карбид молибдена, и конечный прод кт содержит карбид основного металла и м либден и, но не обязательно, непрореагир вавший основной металл, а также наполн тель.

Основной металл нагревают, как правил, в инертной атмосфере выше точки плавл ния для того, чтобы сформировать ванну

>к дкого металла. Температура и поверхнос ный контакт обеспечивается в течение в емени, необходимого для осуществления п степенной инфильтрации расплавленног металла в проницаемую массу и для обеси чения реакции металла:.с источником 30 у ерода для образования карбид основного металла. Инфильтрация (взаимодействие и одолжается в течение времени, необход мо о для.того, чтобы реакция карбидообр зг,вания, по существу, закончилась. При

35 о ла>кдении получается самонесущий керам ческий композит, содержащий наполнит ль, поглощенный карбидом титана, ц ркония или гафния, образованным само40 и оизвольно или инфильтрации и взаимод йствии расплавленного металла с уг еродом из источника углерода. B дальн йшем осуществлении, если используют о новной металл в избытке относительно стехиометрическога количества углерода, к мпозит будет содержать непрореагировавший основной металл.

В одном примере осуществления нап лнителем может быть карбид металла, а алогичного основному металлу. В этом случае если основной металл-титан, карбид м металла в качестве наполнителя может б ть карбид титана, В этом примере конечн и продукт содержит карбид титана, обра55 з вавшийся как продукт реакции, и карбид т тана в качестве наполнителя, В представл нном осуществлении настоящего изобретения в качестве наполнителя (в дополнение к источнику углерода) использовали карбид другого металла гп, "пы IV А, нежели основной металл. Если наполнителем является карбид металла другого, нежели основной, металл, образуется твердый раствор из трех компонентов системы; углерод и/или инертный напрлнитель и два металла. B дальнейшем осуществлении наполнитель относительно инертного состава такой: как оксид, борид, нитрид металла и т,п. предпочтительнее,. чем карбид. Смесь наполнителей, карбидов или не карбидов, может быть также использована. Выбор материалов наполнителя делает возможным изменять свойства конечного композита, как объяснено ниже более подробно.

Керамические изделия, полученные согласно этому изобретению, содержат композит из материалов карбида металла группы И А, который состоит иэ (а) продукта взаимодействия расплавленного металла с источником углерода (б) наполнителя из карбида металла и/или инертного наполнителя, твердого раствора трехкомпонентного карбида, или того и другого, и (в) главным образом свободного основного металла и/или восстановленного из источника углерода металла, в зависимости от таких факторов, как количество основного металла, относительно источника углерода, типа наполнителя (наполнителей) и тип источника углерода.

При осуществлении настоящего изобретения основной металла группы И А и проницаемую массу, содержащую углерод и материал (материалы) наполнителя, располагают по отношению друг к другу при поверхностном контакте таким образом, что расплавленный основной металл будет пропитывать массу. Основной металл, который выбирают из группы, состоящей из титана, гафния и циркония, может быть чистым или относительно чистым металлом, промышленным металлом, имеющим включения или легирующие добавки, или сплаве" ., в котором указанный основной металл является главным компонентом. Это положение и ориентация основного металла и проницаемой массы по отношению друг к другу может быть достигнуто каким-либо одним из нескольких способов. Например, тело основного металла можно опустить в массу, как показано на рис.1 или тело основного металла может находиться в соприкосновении со слоем, или други;.1 типом формы, этих материалов наполнителя. . Проницаемая масса или слой, которому при желании можно придать форму брикета, содержит, по крайней мере, один наполнитель и источник углерода для взаимодействия с расплавленным основным металлом с тем. чтобы c áðàçîààòü карбид этого метал1838279

20 металлом титаном в качестве наполнителя

30

45

55 ла, Источником углерода может быть элементарный углерод или карбид металла, который можно восстановить расплавленным основным металлом, и количество впитывающегося металла является стехиометриче- 5 ски необходимым для возможно. более полного протекания реакции с углеродной составляющей источника углерода, По существу вся углеродная составляющая источника углерода должна прореагировать, так как непрореэгировавший углерод будет приводить к понижению твердости и, возможно, других важных свойств материала, Если в качестве источника углерода использовать элементарный углерод, то он в идеа- 1 ле должен быть относительно-чистым, так как многие включения, связанные с углеродом, такие, как водород или углеводород, выделяются в виде газов llpli температурах. перерабогки, которые могли быть причиной пористости в керамическом продукlе. Под.ходящий элементарный углерод, содержит, например, графит. сажу и нефтяной кокс, и углерод может быть аморфным или кристаллическим. Углерод может быть в любом требуемом виде, таком, как порошок, частицы, нити или чешуйки, или что-либо подобное, и может иметь размеры в следующих пределах; от -325 меш по Тайлеру до -20 меш, но более желательно — от+100 меш по Тайлеру до -48 меш, При условиях процесса, описанного в настоящем изобретении, реакция, скорее всего, будет экзотермической, и углерод определенного качества, видов и размеров мо жет быть слишком химически активным, вследствие чего образуются разрывы или трещины в керамическом продукте. По этой причине, аморфный углерод или углерод в виде порошка, которые слишком мелкодисперсные, могут быть очень химически активными и поэтому непригодными в качестве источника углерода, если только реакция не замедлена, например, путем использования подходящего наполнителя; Более кристаллический углерод является менее химически активным, а графит, особенно в виде больших частиц, не так химически активен, как сажа. Как правило, более желательно использовать сорта углерода, обладающие более высокой химической активностью, больших размеров для того, чтобы замедлить реакцию. Также и наполнитель, введенный в состав слоя или брикета, замедляет реакцию, и кроме того, служит наполнителем в конечном продукте, чтообьяснено ниже более подробно.

Там, где необходимо, источником углерода может быть один или более карбидов способных восстанавливать расплавленным основным металлом, Карбид можно использовать в сочетании с элементарным углеродом, но суммарный источник углерода присутствует в количестве, не превышающем стехиометрической величины, необходимой для того, чтобы по существу весь углерод прореа ги ро вал. Подходя щи ми карбидами являются, например, карбиды молибдена, хрома, кобальта, железа, никеля и ванадия, Известно, что карбид металла группы IVA, но другого, нежели основного. металла, может быть восстановлен основным металлом, но реакция протекает слишком медленно, чтобы быть пригодной. Когда используют способный восстанавливаться карбид, расплавленный основной металл вступает в реакцию, в результате которой образуется новый карбид и восстановленный металл. Например, если с .оСновным используют карбиды железа или молибдена, конечный композит будет содержать карбид титана и железо или молибден. При таком способе второй металл; например, железо.или молибден, вводится в конечный продукт, что обеспечивает гибкость в изменении микроструктуры и свойств композита, В этом случае, молибден обладает более высокой температурой плавления и более пластичен, чем титан и, следовательно, это может быть подходящим для изготовления керамики из карбида титана, содержащей в микроструктуре молибден, для того, чтобы получить продукт, обладающий одним или более свойствами, харакгерными при наличии молибдена. В качество следующего преимущества, связанного с регулированием взаимодействия основного металла с углеродом — способный восстанавливаться карбид. замедляет процесс реакции, которая является экзотерми еской, и поэтому способный восстанавливаться карбид, используемый вместе или в сочетании с элементарным углеродом, может быть особенно полезен при снижении относительно высокой химической активности углерода, В одном примере осуществления изобретения карбид, используемый в качестве наполнителя, может быть получен из тогоже металла, что и основной металл. или что более предпочтительно, из другого металла, И в этом и в другом "лучае карбид служит в качестве наполнителя в конечном продукте.

Например, при использовании основного металла титана и карбида титана в качестве наполнителя для брикета (содержащего также источник углерода) конечный продукт будет содержать оба карбида, а именно: карбид, первоначально присутствующий в

1838 f

«0 рикете, и карбид, образовавшийся в реультате взаимодействия основного метала с источником углерода. Карбид металла в качестве наполнителя помогает замедлить еакци«о, благодаря химической инертноти и поглощению выделяемого тепла, что ожет быть особенно полезным при испольовании углерода с более высокой химичекой активностью, например аморфная ажа. Кроме того, карбиды металлов группы

I А образуют между собой большой ряд рехкомпонентных твердых растворов, на ример (Z«xTI«-х)С, (HfxTI«- )С и (Z«xНт;-,)С. ледовател ьно, в соответствии с одним п риером осуществления, когда металл группь. ! А пропитывает слой или брикет, содержаий карбид металла группь; / А другого, ежели основной металл, такие твердые астворы легко образуются. Более того, в ополнение к карбидам металлов группы IV можно использовать карбиды других мет ллов в качестве наполнителей и разжижит лей и ри замедлении реакции, пока эти к«арбидь«устойчивы при контакте с источникрм углерода устойчивы при контакте с ис-. тЬчником углерода и расплавлен««ым о новным ««еталлом. Такими карбидами явл ются, например, карбиды кремния, тантал, всльфрама. Таким образом. надо о метить, что выбор карбидов металлов г уппы IV А, отдельно или в сочетании с д угими материалами наполнителя, предс авляет удобный способ изменения хиMèч ского со=тава и микроструктуры, а с едовательно и свойств продукта. В частн сти, термопроводимость, в основном, под вляется. злектросопротивление у еличивается и возрастает твердость в рез льтате образования твердых растворов.

С отношение двух или более компонентов в вердом рас гворе можно регулировать или путем легиоования металлического тела, или введением смеси порошкообразных к рбидов г> пористый брикет или слой. «ам, г«е это необходимо, оба карбида r",ñãóò быть оу:, ««аковь«ми, «"ли в .:"-.i!å,;Tåå наполнителя м жно использовать неско."-ько hapivтов, и и можно использовать смесь материалов н пог«!!ителя, .то ь«ожно определить заоан е, основь:ваясь на свойствах, необходим х д."«51 ко«! е «ного г«родукта.

Материал наполнителя, используемого в очетании с источником углерода, должен и еть достаточно высокую температуру п авления, чтобы сохранять устойчивость и и условиях пооцесса. Обычно подбирается наполнитель с температурой плавления, б лее высокой, что температура плавления основного металла и температура процесса.

Температуру процегса можно до некоторой степени понизить путем использования сплава основного металла, который обладает температурой плавления ниже, чем чистый основной металл, и тогда в процессе

5 можно использовать наполнитель с соответственно более низко. «температурой плавления.

В соответствии с изобретением. расплавленную ванну основного металла поме10 щают в тесный контакт с проницаемой массой или слоем по всей поверхности или части ее, которая содержит наполнитель и источник углерода. Слой может быть расположец по. отношению к основному металлу

15 любым образом, пока направление/развитие проникновения металла и продукта реакции будет происходи«ь в направлении слоя и поглощать, по крайней мере, часть его без повреждения и замещения. Где не20 обходимс, в слой или брикет можно добавлять один или более наполнителей, которые, по существу, химически инертны пои условиях процесса. Подходящие инертные наполнители можно выбрать из оксидов, 25 боридов, нитридов и карбидов таких металлов, как алюминий, титан, цирконий, гафний. тантал, церий, скандий, торий, уран, и иттрий. Эти инертные наполнители могут быть полезны для придания требуемых коЗО нечных свойств композитной конструкции.

Материалы наполнителя, используемые в слое, могут со:;ержать керамические или метглли «еские нити, усы, частицы, порошки, огнеу-,îpíü!é материал, сетчатый керамиче35 ский пенопласт, пластины, пластинки, плотные и полые сферы. Далее, слой или брикет материалогв наполнителя может быть гомогенным или гетерогенным, Особенно эффективнь«й способ практи40 ческого осуществления этого изобоетения включает формирование слоя источника углерода и материала (материалов) наполнителя в виде брикета с формой, соответствующей желаемой кон, ",.-урации

45 конечной композитной детали, Брикет можно получить какими-либо традиционными способами формования керамическсго тела (такими, как однооснсе прессование, изостатич:- ое брикетирова«:ие, шликерное

50 литье. —; ье -.:::.àæäåíèeì, ленточное литье, зал«...:. а мет:::-:а в форму под давлением методом впгь ока, намотка волокон для волокнистых материалов и т.д.) в зависимости от характерис«ик источника углерода и напол55 нителей. Первоначальную связь между частицами или нитями до реакционногс пропитывания можно полу «ить путем легко"

ro спекания или с помощью органичсских или неорганически -..вязуlощих материалов, KQTcI ы не е. протеканию про1838279

5

50 цтса и не способствуют образованию не,желательных побочных продуктов в конечIIIIoM материале. Брикет люразовывается, чтобы иметь достаточную целостность форM! l и прочность всыру)о и должен быть проницаем для переноса расплавленного металла, Предпочитаемая пористость брикета зависит от различных факторов, вклю)ая отношение реагирующего углерода к лнертному наполни1ел)о, рост обьема указанного углерода при образовании карбида основного металла во время реакции и Коли )ество «ористости (если вообще нужна), необходимой в продукте реакции, Такая пористос|ь мо>кот быть (но необязательно) заи o J! I I c I I;) р 1 с и л а в л е н I I ы M 0 c I! o в н ы м

aeTa!Ino!.1, е. :)ил 0« присутствует в кс)личестве и реш.lш:л !ощем стехиометричес);у!0 !,eëи4 M k l )I ) .1 I 0 б !) 3 3 0 в а !1 1 я !! !р, и да, Пред«очитае))ая пористосTb брикега т 5% об. до 90% об., 3 более желательно - от 35% об. до 60% об. Брикет приводят в ко!гтакт с расплдвлcill)ь!м Основ!! ым I"!ет3ллом Iia Од ной или болае сго позcpx»ocTs!x k;)»! !и.!)1, p0cTaTo«kIoe для заг)ершения реакц«с; !!ого пропитания основ«ьи kneTanno!1, чт:, «)бразоиать матрицу, pacl1pocTpakls)ioi)l,у!Ocsl через брике г к i ра«ицам его поверхнос. и, и, желательно, I)paKTI«Iecvv заполнить п, стоты брикета I poä)IKToì реакции. В резул,т;— те получа тся композитное тело, имek, . форму, бли- kco или целиком позгоря с!цу.с необход!!мух> фор!1у конечного продух га, гаким образом ceoqsI к миниму!.1у или у.. !.,;

«ЯЯ ДОРОГИЕ ОПЕРЗЦПИ КОНЕЧНОИ МЕХЬИ)И !Еской обработки или шлифовки.

Количество ис Гс чн1!K3 (ис) Очilulкоl ) углерода, ис«о;)ьзуе 1oro в 1;олуче и;и продукта, меньше илл рэ:)но голи кестлу . гл!>()ода. которое cTe>:k)oìe1 pil÷ek>KII kleof!> одимо для наиболее полного «pc!eêak!! !ÿ pea,Ikkituk взаимодействия углерода с расп1)влснным осноьным металлом. Количество основного металла по QTI!ok!)QIII)ko к набоб;од! )лому количеству .ñòî !ника угле)рода !л,ж 10 изменять, поэтому можно контролир .вать или мод!1 фи ц!)роЕ)3 ТЬ С Bol IC1 Ba Ki ) l! i 1; I 0 i 0 Kotu!позит loг0 тела путем измене«и-I .0ответственного количества ос«0в«0го металла.

Когда основной металл и исто ii.., глерода находятся в стехиометрических k;onu«ecTВах, свойства композитного тела определяются карбидом основного металла, так что тело, или матрица, должно обладать меньшей проводимостью, или меньшей пластичностью, или меньшей ударной вязкостью по сравнению с композитом, содержащим свободный металл. Когда используют избыток

-"-основного металла, так что не весь расплавленный основной металл. пропитывающий массу или слой, реагирует, матрица содержит свободный металл или может быть доминирующим в металле. и поэтому свойства композитного тела. или матрицы определяются свойствами основного металла, особенно пластичностью или ударной вязкостью. Предпочтительно, чтобы количество основного металла относительно объема пустот и количество источника углерода было таково, чтобы при завершении реакции пустоты были полностью или почти полностью заполнены карбидом как продуктом реакции и/или непрореагировавшим металлом. Это особенно необходимо и ри изготовлении тела практически без пор (плотного).

В одном из примеров осуществления данного изобретения основной металл, например, титан, получали в виде слитка, non0cbl, прутка, листа и т.п, Металл хотя бы частично помещают в слой смеси подходящего исто !ика углерода, например элементарный углерод, и наполнителя такого, как например, карбид металла группы IV А.

QQklRIII, с ол )ло>кет содержать альтернативно!е наполнительные материалы, наприIlep, .;Ki:сь ал оминия, двуокись циркония и т.д. 31 ог к0мплект, или совокупность, может быть закрыт инертным материалом, обычно в фо )IIr частлц, который не смачивается рлс«лэвленньIM металлом и не реагирует с

I I:è условиях процесса и помещен D

I! i ель или в другой огнеупор«ый сосуд. Верхняя .Ioaepхность основного,eranna может

b!,I1I. JTKpbIT3, или основной )леталл !л о

r;îníîñòüþ погрузить в сло1:, источ; !ка,глерода и наполнителя. и к тс) лу . ;:.е о г, ркающий инертный споА мож «: I. е ппи -)внять.

Эту coBQY) пность помен)аK) г ) печь ll на!рсва)от в инертной атмосфере тако.. как аргон. выше температуры плавления основного металла.;о, >келa-.inü! ic ))и:ке температуры плавленля требуемого карбида основного металла с тем, чтобы образовать ванну расплавленного металла, Должно быть понятно, что пригодная для процесса температурная область, или предпочитаемая температура, может и не занимать весь этот интервал, Температурный интервал будет в значительной степени зависеть от таких факторов, как состав основного металла и выбор источника углерода и материалов наполнителя. Расплавленный металл KQHTBKT!ipyei с источником углерода, образуется продукт реакции в виде карбида основного металла. При продолжающемся воздействии источника углерода оставшийся расплавленный металл постепенно вытягивается в направлении и внутрь массы, содержащей источник углерода, для обеспечения непрерывного

1838279

14 бразования продукта реакции. Композит, олученный таким образом, содержит проукт реакции основного металла с источниом углерода и наполнитель. Если основной еталл-сплав, композит может содержать дин или более легирующих компонентов сновного металла в прореагировавшем ли непрореагировавшем виде. К тому же, композит может содержать свободный ме1 талл, образующийся в результате использования способных восстановиться карбидов, т ердый раствор карбидов металлов группы

1 А или добавочный наполнитель, кэк было о бьяснено выше.

Изделия, полученные способом, опис нным в этом изобретении, представляют с бой относительно плотные, самонесущие т ла, обладающие металлической и/или кер мической структурой. Свойства продукта могут широко варьироваться, в зависимости о конечного использования, выбором наи лнителей — карбидов металлов группы IV

А подбором других инертных наполнителей и соотнбшением металла и углерода. НаприМ8р, продукт Ti/TiC, полученный путем про1 и тывания слоя углерода и карбида титана и быточным количествам титана может б ITb полезным B детали, работающей на и нос. ,1 На чертеже показана примерная установка для осуществления предлагаемого способа, Устройство состоит из цилиндрического г афитового тигля 1, снабженного внутренн и втулкой 2 из карбида титана. Полость в утри втулки частично заполняютпроницаемым слоем заполнителя 3, .содержащим о ин или более относительно инертных наи лнительных материалов, таких как карбид м талла группы Ч А, и источник углерода.

Т ердае тело карбидообраэующего основн го металла 4 помещают в наполнитель.

Графитовый тигель и его содержимое п мещ ают в печь, например B графитовый су цептор индукционной печи (не показана . В этом случае передача тепла от сусцепто а к тигелю через стенку происходить в ос овном за чет излучения. Основным видо)ч передачи тепла от стенки тигля к его содержимому является проводимость. 5

Оптический пирометр (не показан) расположен вертикально над установкой и сфоку ирован на содержимом тигля, чтобы да ать возможность измерять и регулировать температуру печи. 5

Примеры 1,2 и 3 показывают превращени титана в карбид титана вследствие взаимрдействия с углеродом в наполнителе из карбида титана.

Пример 1. Пруток из титана чистотой

99,7, диаметром 12,7 мм и высотой 29,5 мм, содержащий 0,354 моля Ti, представлял собой тело основного металла. Слой напол5 нителя содержал 0,354 моля углерода (в виде графита с величиной частиц — 100 меш) и

0,023 моля порошка карбида титана.

Тигель и его содержимое нагревали по следующему режиму; нагрев до 1500 С эа 30

10 мин в атмосфере аргона с расходом 5 л/мин; пропитывание при 1500 С в течение 10 мин; нагрев до 1700 С за 15 мин.

Когда показания температуры достигли

1590 С, рост температуры доходил до пика

15 2200 С, после чего понижалась до 1650 С; выдеожка при 1700 С в течение 5 мин; ох. лаждение, После охлаждения было обнаружено, что на том месте, где первоначально нахо20 дился титановый пруток, образовалась полость..

Продукт реакции извлекли из тигля и исследовали структуру на оптическом микроскопе, Было очевидно, что титан проник в

25 наполнитель и полностью прореагировал там, образовав новый карбид титана. Последний являлся матрицей, поглощая частицы . карбида титана-наполнителя обеспечивая в результате связанный композит.

30 Пример 2. Пруток титана чистотой

99,7%, диаметром 12,7 мм и высотой 29,0 мм (0,348 моля) погружали в слой наполнителя, содержащий 0,24 моля углерода в виде ацетиловой сажи и 0,24 моля карбида титана35 наполнителя;

Тигель и его содержимое нагревали по следующему режиму; нагрев до 1550 C в . течение 40 мин в потоке аргона с расходом

3 л/мин; пропитка при 1550 С в течение

40 10 мин; нагрев до 1700 С; прекращение подачи энергии; температура продолжала расти до максимума.1890 С; охлаждение.

Как и в примере 1, на том месте, где первоначально находится титановый пру45 ток, образовалась полость. Из исследования микроструктуры продукта реакции было ясно, что титан проник в наполнитель и полностью прореагировал там с образованием нового карбида титана, обеспечивая в ре0 зультате связанный композит титана и карбида титана.

Пример 3. Титановый пруток с чистотой 99,7%, диаметром 12,7 мм и высотой

30,0 мм (0,363 моля) погружали в "лой напол5 кителя, содержащий 0,25 моля нефтяного кокса с размером части — 20 меш и 0,25 моля порошка карбида титана.

Условия нагрева были такими же, как и в примере 2, Схожую полость наблюдали

1838279

16 после охлаждения тигля и получили схожий продукт с такой же микроструктурой.

Пример 4. Показывает превращение циркония в карбид циркония в результате взаимодействия с углеродом в наполнителе из карбида титана и образование конечного продукта титан-карбид циркония.

Два куска циркония, сжатые вместе и образуя в совокупности 0,09 моля, были помещены в тигель и погружены s слой, содержащий 0,08 моля углерода (частиц графита размером — 100 меш) и 0,09 моля порошка

TiC. Тигель. и его содержимое нагревали до

2250 С в потоке аргона и выдерживали при этой температуре в течение 3 мин, Затем температуру повышали до 2300 С и подвод энергии прекращали, После охлаждения до комнатной температуры композитный продукт реакции извлекали и исследовали на оптическом микроскопе и с помощью рентгенографии, Была обнаружена структурная составляющая, содержащая твердый раствор с состав о м (2 ro g Tio,1) С, н а границе р а з де л а остаточного неп рореагировавшего металла и слоя углерод/карбид титана в виде пропитываемого слоя толщиной 2 — 3 мм. Остаточный металл содержал выделившийся карбид циркония.

Формула изобретения

1. Способ изготовления самонесущего керамического композита, содержащего наполнитель, предпочтительно содержащий карбид титана или циркония, или гафния и матрицу из двухкомпонентного или трехкомпонентного твердого раствора карбидов тех же металлов, включающий контактирование проницаемого материала, содержащего инертный наполнитель и углеродсодержащий компонент, с основным металлом, нагрев в инертной среде»до плавления металла и выдержку в течение времени, достаточного для проникновения основного металла в проницаемый материал и образования карбида основного металла,отличающийся тем,чтопроницаемый материал предпочтительно в качестве наполнителя содержит карбид титана или

5 циркония, или гафния, в качестве углеродсодержащего материала предпочтительно— углерод, кокс нефтяной или карбид металла, способный восстанавливаться расплавом основного металла, а в качестве основного

10 металла — металл из группы;Т, Zr, Hf.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют карбид, способный восстанавливаться расплавом, металла из группы . Мо, Сг, Со, Fe, Ni, V.

15 3. Способ по пп, 1 и 2, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что проницаемый наполнитель содержит углеродсодержащий материал в количестве, меньшем, чем требуется по стехиометрии для полного преобразования

20 основного металла в карбид.

4. Способ по пп: 1 — 3, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью пОлучения двухкомпонентного твердого раствора, инертный материал содержит карбид основного

25 металла.

5. Способ по пп. 1 — 4, о т л и ч а ю щ и йс я тем, нто, с целью получения трехкомпо-! нентного твердого раствора, инертный материал содержит карбид металла иной, чем

30 основной металл. б, Способ по пп, 1-5, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что используют наполнитель в виде дисперсных частиц, нитей, прутков, пластинок, сфер, волокон, порошков, сетчатой пе35 ны, пластин, ткани, 7. Способ по пп, 1 и 2, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что проницаемому материалу перед приведением его в.контакт с основным металлом придают предварительную форму.

40 8. Способ по п,1, отличающийся тем, что указанный инертный наполнитель содержит по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из оксидов, боридов и нитридов.

1838279

Составитель Н. Соболева

Техред М.Уоргентал Корректор(С. Лисина

Редактор С. Кулакова

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

Заказ 2899 Тираж .Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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