Способ получения изделия из композиционного материала

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (SI)S С 04 В 35кУ г 11e 11. к1 " 11Е 11Ы1 4О ПАТЕНТУ

11ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ЕДОМСТВО СССР (ОСПАТЕНТ СССР) 1 (1) 4356291/33 (2) 09.08,88 (6) 30.08.93, Бюл. № 32 (1) 084550 (2) 10.08.87 (3)US (1) Ланксид Текнолоджи Компани, ЛП (US) (л2) Ратнеш К. Двиведи (IN)

156) Звявкв Е618 N 0169067, к . С 04 В 35/65, овубв, 1986.

Заявка ЕПВ ¹ 0193292, к . С 04 В 35/65, опубл, 1986. (5 1) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ ИЗ

К 1МПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА (57)Изобретение относится к способу полу ения самонесугцего керамического композб тного тела, имеющего несколько распределенных в пространстве стеночных э ементов, каждый из которых имеет замкну тое поперечное сечение для напрерывн х каналов для жидкости. Стеночные элементы инверсионно воспроизводят геоИзобретение относится в широком см1ысле к самонесущему керамическому

1 ко(ипозитному телу, имеющему несколько пространственно разделенных стеночных элементов с ограниченным и оперечным сече14ием, определяющих перепускные каналь| для жидкости, и к способам его поручения. Более конкретно изобретение ка ается самонесущего керамического компо итного тела, содержащего поликристалли1ческую керамическую матрицу, внедренную в материал наполнителя, и име1

IoIlIIpl.o множество центрированных в осе„„ЯЛ „„183828G А3 метрию исходной металлической модели, Для этого выполняют заготовку металла в виде тела, имеющего по меньшей мере одну открытую полость, размещают наг1олнител ь снаружи заготовки и в полости, проводят нагрев в присутствии оксиданта до температуры, превышающей точку плавления металла, и делают выдержку до полной инфильтрации металла и продукта его взаимодействия в наполнитель. Заготовка может иметь форму полого цилиндра, нескольких концентрических цилиндров, может иметь дополнительные отверстия, обеспечиваю.цие наличие ребер жесткости в конечном изделии, содержащем наполнитель, в который внедрена матрица, полученная реакцией окисления основного металла, с образованием поликристаллического материала, содержащего в основном продукт реакции окисления основного металла с окислителем и необязательно один или бо-. лее металлов, т,е. неокисленные составляющие основного металла. 7 з,п, ф-лы, 12 ил. вом направлении, пространственно разде- Я) ленных стеночных элементов с ограничен- р ным поперечным сечением, инверсионно отобра>кающ х в противоположных направ-1 лениях геом. Трию снабженной полостями () модели основного металла, и способов получения композитного тела инфильтрацией уплотненной засыпки материала наполнителя продуктом реакции окисле,ия основного металла, и редва рительно сформованного l(8K позитивная мсдель, инверсионно от"браженная в противоположных направлениях для получения

1838280 пространственно разделенных стеночных элементов, определяющих перепускные каналы для жидкости.

Изобретение представляет собой дальнейшее усовершенствование технологии получения самонесущего керамического тела, имеющего разнесенные с промежутками стеночные элементы, каждый из которых имеет ограниченное поперечное сечение, определяющее перепускные каналы для жидкости, при этом керамическое тело получено инверсионным воспроизведением профилированного основного металла, В соответствии с изобретением предусматривается способ получения самонесущего керамического композитного тела, имеющего некоторое количество пространственно распределенных стенок определенного поперечного сечения, обусловливающих в значительной степени непрерывное пропускание жидкости. Эти стеночные элементы обычно инверсионно отображают в противоположных направлениях геометрию позитивной модели. Каждый из клеточных элементов, которые центрированы в осевом направлении, содержит керамическую матрицу, внедренную в наполнитель, и полученную реакцией окисления основного металла с образованием поликристаллического материала, который в значительной мере состоит из продукта реакции окисления основного металла с окислителем и необязательно одного или более металлов, т.е. неокисленных составляющих основного металла. Этот метод включает следующие операции: основной металл сформован для получения цилиндрической модели (как определено ниже), имеющей по меньшей мере одну открытую полость или отверстие, образуя при этом поверхности противолежащих стенок, т.е. внутреннюю стенку полости и внешнюю стенку полости, Толщина стенки, которая задается при формовании металлической модели, определяет расстояние между стеночными элементами в конечном изделии.

Материал наполнителя наложен на поверхности обеих стенок цилиндрической модели. Засыпка материала наполнигеля. может покрывать всю поверхность каждой стенки или простираться только для заранее определенной части или области, и эта покрытая область будет определять площадь стеночных элементов конечного композиционного продукта. Материал наполнителя проницаем для окислителя, если требуется, как например, в TQM случае, если окислитель представляет собой окислитель в паровой

-:фазе, и в любом случае проницаем для инфильтрации развивающимся продуктом ре25

35

45

10

55 акции окисления; и имеет достаточную согласованность в интервале температур нагрева, чтобы приспособиться к различному термическому расширению между слоем наполнителя и основным металлом плюс объемные изменения, вызванные переходом точки плавления металла, Каждый слой засыпки материала наполнителя по меньшей мере в поддерживающих зонах, размещенный внутри стенки полости и снаружи внешней стенки с тем, чтобы окружить модель, является внутренне самосвязывающимся при температурах, выше точки плавления основного металла, но ниже и предпочтительнее очень близкой к температуре реакции окисления, при этом засыпка материала наполнителя имеет достаточную силу сцепления, чтобы сохранить инверсионно воспроизведенную геометрию модели в засыпке при миграции основного металла, Профилированная заготовка основного металла с наложенными слоями засыпки нагревают до температурной области, превышающей его точку плавления, но ниже точки плавления продукта реакции окисления, чтобы получить массу расплавленного основного металла, и pBcllllBBленный ocHQBной металл взаимодействует с этой области температур или в интервале температур с окислителем с образованием продукта реакции окисления. По меньшей мере часть продукта реакции окисления поддерживается в этой температурной области в контакте с массой расплавленного металла и между массой расплавленного металла и окислителем, при этом расплавленный металл поступательно протягивается из массы расплавленного металла через продукт реакции окисления, продол>кая образование продукта реакции окисления на границе раз,дела между окислителем и ранее образовавшимся продуктом реакции окисления. Эта реакция продолжается в указанной емпературной области в течение времени, достаточного по меньшей мере для частичного инфильтрирования обоих слоев эссенции продуктом реакции окисления при росте последнего и для параллельного образования стеночных элементов с ограниченным поперечным сечением и оставлением определенных путей прохода или канала, ограниченного самым глубинным стеночным элементом, т.е. продукт реакции окисления растер в противоположных направлениях в засыпке, и миграция и превращение металла приводят к образованию керамической матрицы, инверсионно отобра>кающей в противоположных направлениях смежную часть металлической модели, образуя при этом перепускные каналы для жидкости.

1838280

1роход для жидкости между стеночными лементами (стенками) представляют собой тображение стенки основного металла. алученное самонесущее композитное тело тделяют от избыточного наполнителя, если аковой имеется и, выделенный продукт соержит многостеночное цилиндрическое керамическое композитное тело с продольным перепускным каналом для жидкости ежду стеночными элементами и централь ый канал для жидкости. Стеночные элементы центрированы на оси и предпочтительно центрированы коаксиаль)

Но, так что стенки в значительный степени к1онцентричны.

В другом аспекте изобретения предусMoTp8Hbl средства для предохранения сте ок от разрушения и для поддержания с1теночных элементов с установленными промежутками. В одном варианте осуществ ения изобретения предусмотрено средства для поддержания, выполненное за одно целое с керамическим композитным телом, и заключающееся в том, что модель снабжан т одним или более отверстий для щелей и заполняют их материалом наполнителя. Во в емя проведения процесса продукт реакц и окисления прорастает как матрица в э от наполнитель, а равно как и в засыпку н полнителя, смежного со стенками, образуя при этом керамические связывающие ребра жесткости между стеночными элем нтами. В другом варианте осуществления и обретения при использовании модели осн вного металла с двумя или более цилиндр ми, поддерживающие средства могут б гть внедрены между цилиндрами, и при ф i рмировании керамического композитнога1тела поддерживающие средства связываю1гся на л ес е продуктом реакции окисления, соединяя и поддерживая при этом простра ственно разделенные керам 1ческие цилиндры. !

Использованные в описании в прилагаел1ой формуле изобретения термины опреде дены ниже следующим образом.

"Керами еский" не следует неправом6рно истолковывать, ограничиваясь керамическим материалом в классическом смысле, т.е. в том смысле, что керамика состагит целиком из неметаллических и неорганических материалов, а скорее относится к л1атериалу, который является преимуществе но керамическим с учетом как состава, так и определяющих свойств, хотя материал мо сет содержать небольшие или значительные количества одного или более составляющих, производных о; основного металла, или восстановленных и окислителя или ! пр садка, в бальшг стве слу гаев типична в

2.0

50 ющей множественные отверстия, простирающиеся в поперечном направлении через стенку цилиндра; на фиг.2 — на сечение А — А на "иг,1 (с материалол напалпределах от 1,0 да 40,0;ь по объему, но может включать и еще большие количества металла, "Продукт реакции окисления" в общем смысле означает один или более металлов в любом окисленном состоянии, в которол; металл отдал электроны или поделил электроны с другим элементом, соединен@ем или их сочетанием. Следовательно, продукт реакции окисления в таком определении включает продукт реакции одного или более металлов с окислителем, как описано в заявке.

"Окислитель" означает адин или более подходящих акцепторов электронов или распределителей электронов и может представлять собой элемент. сочетание элементов, соединение или сочетание соединений, включая восстанавливающиеся соединения, и является твердым, жидким или газообразным (пар) или сочетанием этих агрегатных состояний (т.е, твердое вещество и газ) в условиях проведения процесса, "Основной металл" относится к металлу, т.е. алюминию, который является предшественникам для поликристаллического продукта реакции окисления и включает такой металл как относительно чистый металл, коммерчески доступный металл с содержанием.примесей и/или составляющих сплава или сплав, в котором металл-предшественник является основной составляющей, и, если специфический металл упомянут как основной металл, т.е. алюминий, то металл следует понимать в этом значении, если контекстом не определено иначе, "Цилиндрическая стенка" или "цилиндрический стеночный элемент" неправолгерно истолковывают как ограниченные стенкой, форма которых в поперечном сечении определяется окружностью, но скорее касается любой стенки, чье поперечное сечение может быть любой падхо . ей замкнутой формы, такой как круглая, эллиптическая, треугольная, прямоугольная или любая другая полигональная форма (т.е. пятиугольная, восьмиугольная и так далее) попере ного сечения, Далее термин включаетстенки, поверхность которых не только ровная и плавная, но также и стенки, имеющие любой гипа формы волнистости, такие как зубчатая, синусаидальная, гофрированная и тому подобные, На фиг.1 представлен горизонтальный вид модели основного металла сформированного в виде цилиндрической трубы, име1838280 нителя на месте); на фиг,3 — горизонтальный вид сформованного основного металла, иллюстрирующий альтернативный вариант осуществления изобретения; на фиг,4 — вид с торца на сформованный основной металл на фиг.3 с материалом наполнителя посредине; на фиг.5 — продольное сечение, показывающее сборку моделей профилированного основного металла на фиг,1, погруженного в слой частиц наполнителя и помещенного в жаропрочный контейнер; на фиг.б — увеличенный, частичный разрез участка щели прафилированного основнога металла на фиг.5, показывающий опорную зону в материале наполнителя; на фиг,7 - гори"=îíòàëüíûé вид на самонесущее керамическое композитное тело, полученное согласно .изобретению с испальзаваниегл модели основного металла на фиг.1; на фиг.8 — вид с торца на самонесу- 20 щее керамическое композитное тело на фиг,7; на фиг.9 — вид с торца на модель основного металла, сформованного в виде пары концентрически расположенных цилиндрических труб, при этом каждая труба имеет множество отверстий, простирающихся в поперечном направлении через стенку каждого из цилиндров; на фиг.10— вид с торца на самонесущее керамическое тело, полученное согласно изобретению с использованием модели основного металла на фиг.9; на фиг.11 — поперечное сечение модели основного металла, полезной при получении керамического композита альтернативным способом осуществления изобретения; на.фиг,12 — самонесущее керамическое тело, полученное согласно изобретению с использованием. модели основного металла, показанной на фиг,11.

В практике осуществления настоящего изобретения основной металл предусматривается в форме отливки или модели, снабженной па меньшей мере одним аксиально простирающимся отверстием, полостью, каналом или тому подобным, открытым по меньшей мере с одного конца. При осуществлении способа согласно изобретению модель основного металла инверсионно отображается в противоположных направлениях для получения самонесущего керамическаго кампозитного тела, содер>кащего несколько разделенных пространством стенок, имеющих ограниченное поперечное сечение, Изобретение устраняет операции палучсния раздельно керамических тел, каждое из которых затем концентрически устанавливают и взаимосвязывают. Термин инверсионно отображенный" означает, что пространство, образованное между стенками в продукте, определяется противолежа25

55 щими поверхностями смежных керамических стенок, которые в значительной степени подобны первоначальной форме основного металла, т,е. если основным металлом является модель, содержащая ци- линдрическую трубу с круглым поперечным сечением, то пространство, образованное между стеночными элементами керамического изделия, будет в значительной мере такой же ширины что и толщина цилиндрической стенки, и будет круглым в поперечном сечении как негативное воспроизведение геометрии модели основного металла.

Модель основного металла может быть профилированэ любыми подходящими средствами, лишь бы она содержала по меньшей мере одно открытое отверстие или полость, предпочтительно простирающуюся в осевом направлении через профилированный основной металл, т.е. цилиндрическая труба. Например, кусок ме таллэ, такой как .трубка, труба или другой трубчатый элемент, имеющий осевое отверстие, простирающееся во всей длине, образуя при этом цилиндр, может быть получен механической обработкой, литьем в форму, отливкой, экструдированием или сформован иным образом для получения профилированной модели, Основной металл в качестве модели может иметь прорези, отверстия, щели, выточки, упоры, фланцы или . тому подобное, чтобы получить модель для формирования поддерживающих (опорных) средств для керамическа-о композита, как описано это подробно ни>ке. Модель QclioBного металла может имеlb любое подходящее замкнутое поперечное се ан11», от цилиндрического до полигонал, нага, как уже упоминалось выше. Независинма от формы основного металла материал напалнителя наложен на поверхности cTi lloK модели, которая включает полость или внутреннюю стенку и внешнюю стенку, и предпочтительНо поверхности стенок параллельны, обеспечивая таким образом проход для жидкости в значительной мере однородного поперечного сечения. Целесообразно заполнить полость согласующимся материалом наполнигеля, на который затем наносят другой согласу ощийся слой материала наполнителя, помещенный в подходящий тигель или контейнер, Два материала наполнителя могут быть одинаковыми или различными па составу, качеству, чистоте или структуре. Модель определяет таким образом профилированную полость в согласующейся засыпке материала наполнителя профилираванную полость в пределах этой массы наполнителя. Когда основной металл, 1838280

10, занимающий пространство, в конечном сче, те расплавлен и окисляется и мигрирует иэ заполненного пространства, то множество керамических стенок с ограниченным поперечным сечением и саосно расположенных развивается в противоположных направле ниях, образуя при этом пространство, име1 ющее граничные поверхности внутри полученного керамического композитного тела, которые в значительной степени конгруентны форме первоначальной модели основного металла. Таким образом толщина .тенок модели основного металла может on-! ределить ширину поперечного сечения про,странства между стеночными элементами.

Полученный керамический компазитный

1родукт обладает в значительной степени еометрической конфигурацией первонаальной модели, согласован в отношении ифференциальных обьемных изменений сновнога металла в процессе получения, вязанных с точкой плавления металла и ерническим расширением, с учетом сфорированного композитнога тела и охлаждеия, Таким образом, в одном аспекте зобретение предусматривает и обеспечиает преимущество получения керамическоа тела сложной формы обработкой еталлическай модели, и не механической бработкой керамики для получения формы, оторая (обработка) является более трудомкой и дорогостоящей, Хотя изобретение описано ниже детальо со специальной ссылкой на алюминий в ачестве предпочтительного основного металла, другой подходящий исходный металл, удавлетворя ащий требованиям изобретения, Mo_#_BT быть использован и включен в абьем изобретения, например, кремний, 1 итан, олово, цирконий и гафний.

При осуществлении способа согласно изобретению модель основного металла и

3 сыпку наполнителя нагревают B окислит льной ":òìîñôåðå до температуры выше т чки плавления металла, но ниже температ ры пг|авления продукта реакции окислен я, чта приводит к образованию массы или п ла расплавленного металла. При контакте с окислителей расплавленный металл будет аимодействовать с образованием слоя одукта реакции окисления. Под воздейстем окислительной атмосферы в подходяей темпера урной области оставшийся сплавленный металл поступательно прот гивается в слой продукта реакции окислеи через него в направлении к о исг..телю и в засыпку наполнителя и там в контак е с окислителем образуется доx1íèTeëüíû .! продукт реакции окисления.

П меньшей мече ".сть продукта реакции окисления поддерживают в контакте с расплавленным металлом и окислителем и.между расплавленным металлом и окислителем с тем, чтобы вызвать непрерывный рост поли5 кристаллического продукта реакции окисления в засыпке наполнителя, инфильтрируя и заливая наполнитель поликристалличесм м продуктом реакции окисления. Материал поликристаллической матрицы продолжает рас10 ти до тех пор, пока поддерживаются подходящие условия для реакции окисления и сохранилась какая-либо часть неокисленного расплавленного основного металла.

Процесс продолжают до тех пор, пока

15 продукт реакции инфильтрирует и зальет желаемое количество засыпки наполнителя, Полученный керамический композитный материал включает наполнитель, залитый керамической матрицей, содержащей поли20 кристаллический продукт реакции окисления и необязательно одну или более составля ощих основного металла, восстановленные составляющие твердого или жидкого окислителя, составляющие приса25 док или поры или их сочетаия, Типично для таких поликристаллических керамических матриц то, что кристаллиты продукта реакции окисления взаимосвязаны в одном или более измерениях, предпочтительно в трех

30 измерениях, и металлические включения или поры могут быть частично взаимосвязаны. Если процесс не проводятдо израсходования основного металла, то полученный керамический компоэит основательно плот35 ный и в значительной мере беспористый, Если процесс проводят до конца, то есть столько металла, сколько желательно или возможно окислить в условиях проведен .: процесса окисления, то на месте взаимосвя40 занного .*леталла будут образовываться поры в керамическом композите. Полученный керамический композиционный продукт согласно изобретению содержи-:,сколько аксиально центрированных пространствен45 но разделенных цилиндрических стенок, инверсионно отображающих в противоположном направлении геометрическугс форму первоначальной модели. и (продук coãëàñoâàí по дифференциальным

50 объс лнь;м изменениям основного металла, связанным с —:î÷êîé плавления и термическим ра=ширением металла в процессе окисления в отношении полученного и охлажденного композитного тела. В предпоч55 тительном варианте осуществления стеначные элементы центрированы саосно, и керамический продукт содержит центральный канал для жидкости и один или более концентрически рас.- оложенных жидкостных каналов. М..:-г ..". подобно =т"„к1838280

40

50 туры может быть полезен особенно в каче. стве теплообменника.

На фиг.1 и 2 представлены перспективные аиды полостных моделей основного металла 1, профилированного в виде цилиндрической трубы или цилиндра, имеющего стенку 2 и центральное отверстие 3, простирающееся аксиально через него. Цилиндрическая труба 2 имеет несколько отверстий, проходящих в поперечном направлении через стенку 2 цилиндра 1. На фиг,2 и 4 показан материал наполнителя 5.

В осуществлении изобретения, показанном на фиг,3, цилиндрическая труба имеет множество вытянутых в длину щелей 6, простирающихся в продольном направлении почти на всю часть стенки цилиндра. В этих выполнениях отверстия 4 и щели 6 снабжены материалом наполнителя 5, как показано на фиг.2 и 4. Засыпка материала наполнителя

5, состоящая из того же или отличного от него материала, расположена в ка>кдом центральном отверстии 4, но если желают, то внутренняя стенка каждого цилиндра может быть футерована засыпкой заранее заданной толщины с тем, чтобы заполнить только часть отверстия, и пролегающая глубоко внутри граничная поверхность засыпки снабжена подходящим барьером, чтобы ингибировать рост (не показано, и описано детально ниже), Таким образом, если отверстие имеет большое отношение длины к диаметру, то газообразному окислителю мо>кет быть нелегко проникать в засыпку при проведении процесса, оставляя при этом неплотный материал засыпки, и в таком случае может быть выгодным предусмотреть засыпку с жидким или твердым окислителем, как это разъяснено подробно далее). В предпочтительном осуществлении настоящего изобретения засыпки состоят или включают спекающийся или самосвязывающийся наполнитель, или связующее или спекающее средство, Следует понимать, что такая самосвязывающаяся зона может включать только часть засыпки или по существу весь слой, и далее, материал наполнителя может быть внутренне самосвязывающимся либо благодаря присущим материалу свойствам или подходящий материал может быть введен в слой для обеспечения достаточного связывания. Как показано на фиг.5. только в целях иллюстрации, боковые краевые стенки основного металла снабжены подходящим барьером 7 (детально описан ниже) и основной металл внедряется затем в засыпку из частиц наполнителя 8, помещенного в жаропрочный контейнер 9, такой как тигель из глинозема. Засыпки наполнителя 5, 8 мо5

35 гут иметь одинаковый или различный состав, чистоту или тип, При нагревании сборки, показанной на фиг.5, до температуры, существенно превышающей точку плавления основного металла, окислитель, такой как окислитель в паровой фазе, который проникает в засыпку и контактирует с расплавленным металлом, окисляет расплавленный металл и происходящий при этом рост продукта реакции окисления инфильтрует засыпку 5 и 8. Барьерные средства 7 ингибируют рост продукта реакции окисления от концевых стенок модели, Например, если основным металлом является алюминий, а воздух является окислителем, то температуре реакции окисления может быть в интервале от 690 до 1450 С, предпочтительно от 900 до 1350 С, и продукт реакции окисления типично представляет собой а-глинозем. Расплавленный металл мигрирует через образовавшийся слой продукта реакции окисления из объема, ранее занятого моделью 10, что может привести к пониженному давлению в этом объеме вследствие непроницаемости для окружающей атмосферы растущего поверхностного слоя продукта реакции окисления и. нормальном давлении, действующем на контейнероподобный поверхностный слой продукта реакции окисления. Разумеется, засыпки материала наполнителя (или его опорные зоны) могут быть внутренне самосвязывающимися при температуре самосвязывания и выше, которая находится в интервале выше точки плазления основного металла, но ниже температуры реакции окисления или близкой к ней; Таким образом, будучи нагретыми до температуры самосвязывания, но не ранее, засыпки наполнителя или его поддерживающие зоны спекаются или иным образом связывают себя и соединяются с растущим продуктом реакции окисления достаточно прочно для того, чтобы придать необходимую прочность засыпкам, т.е, поддерживающим зонам, чтобы противостоять перепаду давления и сохранить в каждой засыпке наполнителя геометрию цилиндрических стенок и заполненной полости, образованной в ней уподоблением эасыпок форме модели, Как описано детально ниже, если наполнители были самосвязывающимися значительно раньше до окончания расширения основного металла при нагревании,и его расплавлении, то самосвязы вающиеся на полн ители будут трескаться или разрушаться при расширении металла. В осуществлении изобретения, при котором только поддерживающая зона наполнителей со13

1Ь3826о держит или включает спекающийся или са мосвязывающийся наполнитель или

1связующее или спекающее средстIBo,пунктирными линиями 10 на фиг.6 показана протяженность поддерживающей зоны в засыпках. По мере продолжения реакции полость в засыпках ранее заполненная моделью, почти полностью осво бождена в результате миграции расплавленного основного металла через продукт реакции окисления к наруж ной поверхности его, где расплавленный металл контактирует с окислителем в па-! ровой фазе и окисляется с образованием дополнительного продукта реакции окисления. Продукт реакции окисления содержит оликристаллический керамический матеиал, который может содержать включения оставляющих основного металла, а равно ак и восстановленные составляющие приадки и твердый или жидкий окислитель, сли таковой используется, в зависимости т условий процесса и реагентов, применямых в нем. По окончании реакции и освоождению объема, ранее занятого моделью, борку охлаждают для извлечения полученного керамического композита, показанноо позицией 11 на фиг.7 и 8.

Полученный композитЧ1 содержит концентрические цилиндры 12 и 13, имеющие ентральный канал 14 и окружные каналы

5. Два цилиндра поддерживаются в протранственном отношении друг к другу мноеством радиально расположенных спиц ли ребер жесткости 16 (см. на фиг.8,, кото ые сформированы in. situ и заодно целое с

1 онцен грическими цилиндрами композита, избыток наполнителя; если таковой имеетс я, отделяет от композитного тела струйной с бработкой, вибрацией, в барабане для очис тки огливок шлифованием и тому подо бнымм. Экономичной технологией является с труйная обработка с использованием частиц магериала, который пригоден в качеств|е наполнителя или компоненты

i

50 жеством спиц 55, полученных в результат," прорастания продукта реакции окисления как матрицы в наполнитель, который быг помещен в поперечные отверстия 21. Про дукт реакции окисления, образующийся желаемых размеров, формы или конечной составляющей с размером и формой по. ученных в них перепускных каналов, Можно виде ., что модель, профилированная как цилиндрическая труба, дает два концентрически расположенных цилиндр таких как цилиндра 12 и 13. Таким образо . в процессе реакции окисления керрмн i. ская матрио растет латерально в обоих направлениях, т.е. (а) внутрь от поверхности стенки основного металла в полость или централ ьное отверстие и (Ь) наружу от внешней поверхности стенки основного металла. с образованием внутреннего цилиндра 1" i внешнего цилиндра 13, а также опорных элементов 16.

Модель основного металла может быть профилирована и конструирована так, чтобы получить более двух цилиндров, Например, модель основного металла, показанная на фиг,9 позицией 17, может. быть сформована как два концентрически расположенных металлических цилиндра 18 и 19, каждый из них снабжен отверстиями 20 и

21, проходящими в поперечном направлении. Могут быть получены продольные ребра 22, предпочтительно из керамики, такой как глинозем. Модель погружают в подходящий наполнитель, находящийся в жаропрочном контейнере, аналогично тому, как показано на фиг.5, так что засыпки наполнителя расположены в центральном отверстии внутреннего цилиндра 18, между цилиндрами, окружают внешний цилиндр и заполняют отверстия 20 и 21. В ходе реакции окисления цилиндрическая стенка внутренней цилиндрической модели 18 образует продукт реакции окисления в противоположных направлениях с формированием пары внутренних цилиндрических стенок 23 и

24, которые поддерживаются концентрическими и пространственно разделенными множеством спиц или ребер жесткости 25 (см. на фиг.10), полученных в результате роста продукта реакции окисления в виде матрицы в наполнитель, который был помещен в поперечные отверстия 20, Аналогично этому цилиндрическая стенка внешнего цилиндрического шаблона (модели) 19 образует продукт реакции окисления в противоположных напразлениях в ходе реакции окисления с образованием пары внешних цилиндрических кер-мических стенок 25 и

26, которые удерживаются в концентрическом и пространственном поло:ении мно15

1838280

55 ростом керамических стенок, будет формироваться у основания продольных ребер 22, связывая при этом эти ребра на месте и поддерживая разнесенные в пространстве стеночные элементы 24 и 25, Полученный композит имеет центральный перепускной канал для жидкости и окружные или концентрические каналы 27, 28 и 30, В дальнейшем варианте осуществления модель основного металла, показанная позицией 31 на фиг.11, может быть сформована так, что, будучи погружена в наполнитель, находящийся в контейнере, аналогично показанному на фиг.5, внутренняя цилиндрическая модель 32 основного металла окружена внешней цилиндрической модель.о 33 и концентрически размещена по отношению к внешней цилиндрической модели 33 основного металла, Внутренняя цилиндрическая модель

32 содержит мно>кество отверстий 34, проходящих в поперечном направлении. Таким образом, внешняя цилиндрическая стенка модели 62 окружена барьерными средствами 35, которые ингибируют, затрудняют или прекращают рост или развитие продукта реакции Gкисления, как будет разьяc<<åI о ниже. Что касается других вар<,антов осуществления изобретения, то подходящий наполнитель, который может вклю <ать поддерживающие зоны, помещен или расположен в центральном отверстии цилиндра 33 и между внутренней цилиндрической

Moäåëüþ 32 и внешней цилиндрической моделью ЗЗ, а также в «оперечных отверсгиях

34, В результате процссса реакции окисления цилиндрическая стенка внутренней цилиндрической модели 32 форцируат продукт реакции окисления в противоположных направлениях, образуя при этом па:ру внутренних цилиндрических керамических стенок 35 il 36, которые поддержипаются концентрически и пространственно разделенными множеством ребср жесткости или спиц 37, полученных в результате прорастания продукта реакции окисления как керамической матрицы в наполнитель, который был ранее помещен в поперечные отверстия 34. Барьерные средства 35 предохраняют цилиндрическую стенку внешней цилиндрической модели ЗЗ от роста и развития продукта реакции окисления в наружном направлении. Таким образом цилиндрическая модель 33 продуцирует целостную цилиндрическую керами <ескую композитную стенку 36 в процессе реакции окисления прорастанием продукта реакции окисления в наполнитель.

Одно или более ребер жесткости 38, таких как керамическое ребро жесткости, может

30 > Г о,)

45 быть помещено между цилиндрическими стенками аналогично описанному со ссылкой на выполнение изобретения на фиг.9 и

10. Керамический композит содержит центральный канал для жидкости 39 и концентрические каналы 40 и 41. Таким образом, при осуществлении настоящего изобретения может быть получен керамический композитный продукт, имеющий две или более цилиндрических стенок варьированием полой модели основного металла v использованием барьерных средств, Выбором подходящего наполнителя и поддержанием условий проведения реакции окисления в течение времени, достаточного для эвакуации по существу всего расплавленного основного металла из заполненной полости, вначале занятой моделью, получают точное инверсионное отображение, геометрии модели (включая всякие отверстия, щели и тому подобное).

Хотя форма, показанная на чертежах (и поэтому все сформованные цилиндрические стенки и пространства) являются относительно простой, однако могут быть сформованы полости и другие пространства и керамическом Kot, позите, которые с точностью инверсионно воспроизводят формы моделей более сложной геометрии, Наполнитель, который согласуется с моделью и используемый для осуществления изобретения, может быть одним или более из широко распространенных материалов, пригодных для этой цели.

Используемый в описании и в формуле изобретения термин "согласу<ощийся" в применении к материалам наполнителя означает, что наполнитель представляет собой материал, который может быть упакован вокруг, приложен к модели или обмотан вокруг модели и согласован с геометрией модели, погру>кенной в наполнител ь. Н а пол нитель может вкл <очать, например, волокна, нитевидные кристаллы, порошки и тому подсбное, мо>кет также содержать либо гетерогенное или гомогенное сочетание двух или более таких компонентов или геометрических конфигураций, т.е. сочетание мелких <астиц и нитевидных кристаллов. Физическая конфигурация наполнителя должна обеспечить погружение модели в массу наполнителя и окружение ее наполнителем с тесным согласованием с поверхностями модели, Модель основного металла применяется в описании и в формуле изобретения как "модель", так как пространство, образованное в конечном счете в композите, представляет собой негатив геометрии модели. Подходящие наполнители включают, например. оксиды, карбиды, l1338 00 итриды и бориды, такие как глинозем, двукись циркония, борид титана, карбид кремия, нитрид алюминия и нитрид титана или войные, тройные или еще более высокого орядка оксидные соединения металлов такие как шпинели, т.е. шпинель алюмината магния, Согласующийся наполнитель является материалом, который в условиях реакции кисления проницаем для проникновения через него окислителя, если последний на! ходится в паровой фазе. В любом случае аполнитель также проницаем для роста и азвития в нем продукта реакции окисления.

Самосвязыва ощийся наполнитель не

1 спекается и должен сохранять свою согласованность, чтобы противостоять разнице в

1 обьемных изменениях между ним и основным металлом, когда последний нагревают и плавят, и затем самосвязываться для обеспечения механической прочности для разв тия полости, когда реакция окисления п,рогрессирует. (Употребленный в описании и в формуле и обретения для характеристики согласуюегося наполнителя термин "самосвязыващийся" означает такие наполнители, к торые, будучи размещены в согласую емся контакте с основным металлом, сох аняют достаточную приспособленность к о ьемным изменениям основного металла и и точке плавления и дифференциальному т рмическому расширению между основн lM металлом и наполнителем, и по меньей мере в его поддерживающей зоне, непосредственно примыкающей к положительной модели.

Наполнитель должен быть согласую>чимся и/или самосвязывающимся только в

ТОЙ части слоя наполнителя, которая являетс смежной с моделью основного металла и сформована ею.

В любом случае наполнитель не должен спекаться, сплавляться или взаимодействов ть таким образом, что образуется непрон 1цаемая масса, способная блокировать инфильтрацию продукта реакции окисления в наполнитель или, когда используют окислитель в паровой фазе, то проход такого профазного окислителя через наполнитель, Наполнитель должен быть согласую чимся и/или самос вяз ывающимся тОлькО с т и части слоя наполнителя, которая являетс смежной с моделью основного металла и с ормована ею.

В любом с;у«ае наполнитель не должен спекаться, сплавляться или взаимодействоBclTb таким образом, что образуется непроницаемая масса, усобная блокировать инфильтрацию продукта реакции окисления в наполнитель или, когда используют Окислитель в паровой фазе, то проход так,ro профазного окислителя через наполнитель

5 Типичные окис гители включают без . раничения кислород, азот, галоген, серу, фосфор, мышьяк,,глерод, селен, теллур и соединения и «х сочетания, например, дв11 окись кремния (как источник кислорода), ге10 тан. этан, пропан, аце илен, этилен и пропилен (как источники углерода), и смеси, такие как воздух, Hz/HzO и СО/COz, последние две (т.е. водород — вода и окись углерода — углекислый газ) полезны для

15 восстановления активности кислорода в а1 мосфере. В зависимости от применяемого окислителя полученная керамическая MBT рица может содержать оксид, карбид, нитрид или борид, 20 Хотя может быть использован любой подходящий окислитель, предпочтителен окислитель в паровой фазе (газ) и конкретные осуществления изобретения описаны здесь со ссылкой на использование окисли25 теля в паровой фазе, Термин "окислитель в паровой фазе" означает испаренный или газообразный материалы в нормальном состоянии. В случае. например, когда основным металлом является алюминий и

30 окислителем является воздух, который наиболее предпочтителен по очевидной причине экономичности.

Примером окислителя как "азотсодержащего газа" использованного в onисании

35 и в формуле изобретения, является так называемый "формир-газ", состоящий примерно из 96 объемных процентов азота и 4 обьемных процентов водорода.

Если используют твердый окислитель, 40 то он обычно диспергирован по всем слое наполнителя или в его части, прилежащей к основному металлу, в форме частиц или порошков, смешанных с наполнител .: или вообще как покрытие на частицах

45 наполнителя. Может быть применен любой твердый окислитель, sêëþ÷àÿ элементы, такие как бор или углерод, или восстаH >вливаемые ссединения, такие как кордиериты, двуокись кремния и некоторые бориды бо50 лее низкой термодинамической стабильности, чем боридный продукт реакции основного металла. Например, если используют бор и::и восстанавливаемый борид в качестве твердого окислителя основ. Ого ме55 талла алюминия, то полученный эодукт реакции представляе собой бород, люминия, ECnl1 OCHOBHblM MeTaJ" VOt. >Ч 1 .=.T L St Т-»,. Л додекаборид ал>ol г ния представляет coL подходящиГ твеp.>ь,й Окислитель и продукт включает д, . -19

1838280

5

20

40

Если применяют жидкий окислитель, то весь слой нвполнителя или его часть, прилежащая к расплавленному металлу, могут быть покрыты или пропитаны, например, погружением и сушкой, окислителем для пропитки наполнителя. Под "жидким окислителем" имеется в виду окислитель, который представляет собой жидкость в условиях реакции окисления и таким образом жидкий окислитель может иметь твердый предшественник, такой как соль, находящаяся в форме расплава в условиях реакции окисления, По выбору жидкий окислитель может представлять собой жидкость или раствор, который используют для пропитки части ипи всего напопнителя и который плавится или разлагается и условиях реакции окисления, давая подходящую окислитепьную I омпоненту, Прилле!1I I жидких окислителей, !;ак опредепенн в г писании, включают легкоплавкие стекло.

Материалы присадок, испопь уемые в сочетании с основным металлом, благоприятно влияют на процесс реакции о v fiFHëÿ, в особенности в системе, приме!! :;о!цей алюминий в качестве основного ме1алпа.

Присадка или присадки, используемые в сочетании и IN в связи с основным металлом, могут быть введены как составляющие сппава основного металла, могут быть нанесены по меньшей мере на часть поверхности основного металла или нанесены или введены в часть или в весь материал наполнителя или предварительно сформованной заготовки, или может быть использовано в любое со катание двух ипи более методов. Присадка может быть использована одна или в сочетании со второй присадкой, наносимой извне.

Присадки к алюминию в качестве основного металла, в особ! нности с воздухом в качестве окислителя, включают магний, цинк и кремний либо в отдельности, либо в сочетании с другими присадками. Эти металлы или подxopslufNp источ!! ик!л ме1 аллов, могут быть сплавлены с основным ме галлом .на базе алюминия в концентрациях дпя каждой присадки or 0,1 до 10,0 весовых процентов от общего веса полученного легированного металла. Эти материалы присадок или подходящие источники их получения (т.е. MgO, ZnO или Я!021 мсгут быть применены извне по отношени о . основному металлу. Таким путем получают глиноземную керамическую структуру из смеси алюминий-кремний в качестве основного металла с использованием воздуха в качестве окислителя и MgO в качестве присадки, нанесенной на поверхность металла в количестве,больше!лчем 0,0008 r Mg на грамм основного металла, подлежащего окислению, и более чем 0,003 г магния на один квадратный сантиметр поверхности основного металла, на который наносят окись магния, Дополнительные примеры материалов присадок для основного металла алюминия включают натрий, германий, олово, свинец, литий, кальций, бор, фосфор и иттрий, которые могут быть использованы в отдельности или в сочетании с одной или более присадок в зависимости от окислителя и условий и роцесса. Редкоземельные элементы, такие как лантан, празеодим, неодим и самарий также являются полезными добавками и опять же в особенности при применении в сочетании . с другими присадками.

Могут быть применены барьерные средства для ингибирования роста или развития продукта реакции окисления за барьером.

Подходящими барьерными средствами может быть п!обой материал, соединение, элемент, композиция или тому подобное, которые в условиях процесса согласно изобретению сохраняют некоторую целостность, не петучи и предпочтительно проницаемы для окислителя и паровой фазе и способны локально ингибировать, отравлять. останавливать, мешать, предупреждать ипи тому подобное продолжающийся рост продукта реакции окисления. Как свидетельствует осуществление изобретения, показанное на фиг,5, барьерные средства приложены к торцевым поверхностям профипированного основного металла дпя предотвращения роста проду,та рег!:ции окисления из этих поверхностей. Подходящие барьеры, особенно, и: ап!о!линия в качестве основного и:..тглпг в в;:.ду:.е ипи в киспородсодержаще!.". га .©, в .:if!о !ьчот сульфат кальция (г!р!лродный г!лпг.,, сипикат каньция и портпанд-цененT HHх сочетания, которые обычно наносяг из шлихера ипи B виде пасты на поверхност!: модели или на поверхность материала напопнитапя. если рост необходимо приостановить в области засыпки. Эти барьерные средства могуттакже включать подходящие горючие или летучие материалы, которые удаляются при нагревании, или материалы, разлагающиеся при нагревании с целью увеличения пористости и проницаемости барьерных средств. Кроме того, барьерные средства могут включать жаропрочные частицы для снижения любого возможного растрескивания или усадки, которые иначе могут появиться при проведении процесса, Такие частицы, имеющие, по существу,- тот же коэффициент термического расширения, что и материал слоя наполнителя, особенножелательны. Например, если засыпка содержит глинозем и полученная керамика включают

1838280

Цилиндрическая труба имела длину 2,5 см и наружный диаметр 2,5 см и стенки имели поперечные отверстия диаметром 0,25 см, Внутреннюю стенку цилиндра и стенки поперечных отверстий заполняли кордиерит- 5 ным наполнителем. Сборку нагревали при установленной температуре 1000 С в течение 40 ч на воздухе. Общее время работы печи составляло 50 ч с 5-часовым циклом разогрева и 5-часовым циклом охлаждения, 10

Прорастание керамического композитного материала в пару концентрических цилиндрических стенок, взаимосвязанных ребрами жесткости, было очень однородным, Наружный диаметр внешней цилиндриче- 15 ской стенки составлял примерно 2,65 см при тол щи не сте н ки О, 15 см, В нутре н! я я ке рамическая стенка была толщиной около 0,15 см и наружный диаметр составлял 1,65 см.

Расстояние между парой цили! др гческих 20 стенок составляло около 0,3 см.

Эти примеры осуществления "зобретения показывают полезность изоб г.гения и специалистам в данной области понятны многочисленные сочетания и вариации, воз- 25 можные в объеме изобретения.

Формула изобретения

1. Способ получения изделия из композиционного материала, включающий размещени» заготовки основного металла в лое 30 дисперсного огнеупорного инертногс II;Iполнителя, проницаемого в условиях процесса для оксиданта и инфильтруемого продукта реакции, нагрев в реакционной га- зообразной среде до температуры, прелы- 35 шающей точку плавления металла за готовки, но мен ьш ей точки гн-а злени я продукта, его вззи. одейсiвия с ()v(.èäàíтом, и выдержку в течение вре лени, дос аточного для полной инфильтрации металла 40 и продукта его взаимодействия с оксидантом в наполнитель и обра:-ования изделия, охлаждение и отделение изде н от избытка наполнител!, о т л и ч а ю : «я тем, 45 что, с целью получения изделия, содержащего несколько коаксиально расположенных пространственно разделенных стенок,. имеющих замкнутый контур и инверсионно отображающих геометрию заготовки основного металла, заготовку выполняют в виде тела, имеющего по меньшей мере одну открытую полость, а наполнитель размещают снаружи заготовки и в полости, 2. Способ поп.1,отличающийся тем, что наполнитель дополнительно содержит опорную зону, самосвязывающуюся при температуре, превышающей точку плавления металла заготовки, но не превышающей температуру взаимодействия, 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовка основного металла имеет форму полого цилиндра.

4. Способ по и 1, отличающийся тем, что за отовка основного металла содержит несколько концентрических цилиндров, 5. Способпо п1,отл ичающийся тем, что заготовка основного металла имеет дополнительно по крайней мере одно отверстие, в которое размещают наполнитель, обеспечлвающее образование по крайней мера одного ребра жесткости в конечном изделии.

6, Способ попп.1и2,отличаю щи йс я гем, что основным металлом является металл из группы; Si, Ti, Sn, Zr, Hf, легированный алюминий.

7. Способ по пп. 1, 2 и 5, о г л и ч а юшийся тем, что оксидэцто,".; является по крайней мере один из группы: кислородсодер>кащий или азотсоде ржа щии газ, диоксид кремния, бор, углерод, Yñðä!nåðèò, восстановимое соединение, 8, Способ по пп. 1 — 6, о т л и ч а ю ш, и йс я тем, что в ка .естве наполнителя используют по крайней мере однц коглпонент из группы: А120з, CeG,, IfOz. Z! C!2, 1 02, Si02, Mg0, ВзОз, Ме Оз, где Ме — La, Nd, Рг. Sm, Sc, Y, КО2, ГЬО, ".л. рид, карбид или бернд.

1838280

1838280

1838280

1Р f5 12 7.У 1Ю

1838280

Составитель Н. Соболева

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор Л, ЛивРинц

Редактор

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