Способ получения литого дисилицида молибдена в режиме горения
Владельцы патента RU 2367702:
Учреждение Российской академии наук Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (RU)
Изобретение относится к получению тугоплавких керамических материалов в режиме горения, в частности к способу получения литого дисилицида молибдена. Может использоваться для изготовления нагревательных элементов, конструкционной керамики, защитных покрытий. Готовят реакционную смесь порошков исходных компонентов, содержащую, мас.%: оксид молибдена VI 37,0-58,0, алюминий 8,0-32,0, кремний 22,0-34,0, оксид кремния до 100,0. Смесь помещают в реактор СВС в форме из кварца, графита или нержавеющей стали и воспламеняют, обеспечивая реагирование ее компонентов в режиме горения под давлением 0,1-10 МПа газа, выбранного из ряда, включающего аргон, азот, воздух или их смеси. Способ позволяет повысить содержание основного компонента в целевом продукте и увеличить выход годного при сохранении высоких эксплуатационных характеристик. 1 з.п. ф-лы. 1 табл.
Изобретение относится к области получения тугоплавких керамических материалов, в частности к способам получения литого дисилицида молибдена в режиме горения, который может использоваться для изготовления нагревательных элементов, конструкционной керамики и для нанесения защитных покрытий.
Известна шихта для получения материала для высокотемпературных нагревательных элементов методом экструзии в режиме горения, содержащая порошки трехокиси молибдена (оксид молибдена VI-MoO3), алюминия, кремния и молибдена, при следующем соотношении компонентов, мас.%: MoO3 7,0-42,4, алюминий 2,7-15,9, кремний 29,0-38,2, молибден 12,7-52,1 (RU 2012550 C1, C04B 35/58, 1994.05.15). Недостатком данного изобретения является низкое (80%) содержание MoSi2 в конечном продукте, высокое содержание (20%) низкотемпературной оксидной фазы и достаточно низкий выход годного материала.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ изготовления высокотемпературных нагревателей на основе дисилицида молибдена, включающий приготовление реакционной смеси исходных компонентов (шихты) и синтез в режиме горения, при этом для приготовления шихты используют стехиометрическую смесь порошков MoO3 и Si с добавлением стехиометрической смеси порошков Mo и Si, a после синтеза жидкий дисилицид молибдена заливают в форму и охлаждают (RU 2184169 С2, С22С 29/18, B22D 15/00, Н05В 3/14, 2002.06.27). Синтез дисилицида молибдена проводят на воздухе. Недостатком данного способа является то, что температура реакции смеси MoO3 и Si близка к температуре плавления MoSi2, а температура реакции смеси Mo и Si ниже температуры плавления MoSi2, в результате чего с учетом теплопотерь в окружающую среду и в материал реакционной формы, а также за счет дефектов литья, брызг и всплесков расплавленной шихты на воздухе получить качественный плавленый целевой продукт невозможно. Поэтому известный способ имеет низкий выход целевого материала и недостаточно высокое содержание MoSi2, которое не превышает 70%.
Техническим результатом заявляемого способа получения литого дисилицида молибдена является повышение содержания основного компонента в целевом продукте, выход годного материала при сохранении его высоких эксплуатационных характеристик.
Технический результат достигается тем, что способ получения литого дисилицида молибдена в режиме горения включает приготовление реакционной смеси порошков исходных компонентов, содержащей оксид молибдена VI, алюминий, кремний и оксид кремния, помещение реакционной смеси в реактор СВС в форме из тугоплавкого материала, выполненной из кварца, графита или нержавеющей стали, воспламенение смеси с последующим реагированием ее компонентов в режиме горения под давлением 0,1-10 МПа газа, выбранного из ряда, включающего аргон, азот, воздух или их смеси, при этом реакционную смесь готовят при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Оксид молибдена VI | 37,0-58,0 |
| Алюминий | 8,0-32,0 |
| Кремний | 22,0-34,0 |
| Оксид кремния | до 100,0 |
Между реакционной смесью компонентов и стенкой формы может быть размещен функциональный слой из смеси порошков оксидов алюминия и кремния (для уменьшения теплоотвода и предотвращения контакта целевого продукта со стенками реакционной формы).
В экспериментах использовали смеси порошков оксида молибдена (VI) марки «ч», алюминия марки АСД-1, кремний марки КР-0 и оксид кремния марки «ч». Состав конечного продукта регулировали варьированием соотношения между исходными реагентами.
Синтез осуществляют в реакторе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) объемом 3,3 л при начальном давлении газовой среды от 0,1 до 10 МПа по следующей схеме химического превращения:
MoO3+Al+Si+SiO2→Al2O3×SiO2/MoSi2
Al2O3×SiO2 - верхний слиток, MoSi2 - нижний слиток (целевой продукт).
Температура горения реакционной смеси составляет 2500-3500°С и превышает температуры плавления конечных продуктов, получаемых в процессе синтеза в жидкофазном (литом) виде, что обеспечивает высокую полноту выхода (более 99,5%) и однородность химического состава по всему объему целевого продукта. Кроме того, проведение синтеза в реакторе (замкнутом объеме) исключает разбрызгивание и выброс газообразных продуктов горения в атмосферу, т.е. повышается экологическая чистота по сравнению с аналогом, при этом целевой материал не имеет дефектов и получается в литом виде.
Сущность способа подтверждается примерами.
Пример 1.
Готовят реакционную смесь (шихту) из порошков исходных компонентов при следующем соотношении, мас.%: оксид молибдена (MoO3) 47,0; оксид кремния (SiO2) 5,0; алюминий (Al) 20,0; кремний (Si) 28,0. Общая масса шихты 1 кг.
Засыпают ее в реакционную форму из тугоплавкого материала, выполненного из графита. Снаряженную форму помещают в реактор СВС. В реакторе создают избыточное давление азота 0,1 МПа, воспламеняют смесь электрической спиралью для инициирования процесса горения. После завершения синтеза и остывания реакционной формы продукт синтеза извлекают из реактора, отделяют и анализируют аналитическими методами химического анализ, рентгенофазового и локального рентгеноспектрального анализов. Общее время синтеза до извлечения продукта, включая охлаждение, не превышает 1 часа.
Продукт синтеза состоит из двух слитков: внизу целевой продукт - дисилицид молибдена, вверху - твердый раствор оксида кремния в оксиде алюминия. По данным рентгенофазового анализа, целевой продукт соответствует формуле MoSi2, причем содержание дисилицида молибдена составляет более 99,5%. Содержание примесей - оксидов алюминия, хрома и алюминия менее 0,5%. По данным химического и локального рентгено-спектрального анализов литой дисилицид молибдена имеет высокую однородность по фазовому и химическому составу (Siсв. = 36,9-37,1; содержание MoSi2 - более 99,5%).
В примере 2 состав шихты размещен в форму из нержавеющей стали, а с целью исключения контакта целевого продукта с материалом формы между шихтой и стенкой формы помещают функциональный слой из смеси порошков оксидов алюминия и кремния, и в реакторе создают избыточное давление аргона 10 МПа. Далее, как в примере 1.
В примере 3 состав шихты размещен в форме из кварцевого стекла с целью исключения контакта целевого продукта с материалом формы между шихтой и стенкой формы помещают функциональный слой из дисилицида молибдена, полученного по примеру 1 или 2, а в реакторе создают избыточное давление смеси воздуха с азотом 5 МПа. Далее, как в примере 1.
Все примеры представлены в таблице с указанием состава шихты, параметров синтеза и состава литого дисилицида молибдена.
Выход целевого материала по отношению к оксиду молибдена VI (MoO3) составляет 90-95%.
Как видно из таблицы, заявленная совокупность признаков формулы позволяет получать высококачественный однофазный материал - дисилицид молибдена с содержанием MoSi2 99,6-99,9%. Содержание связанного кремния в целевом литом материале составляет 36,9-37,1%.
Полученный дисилицид молибдена может быть использован для изготовления высокотемпературных нагревателей, конструкционной керамики и для нанесения защитных покрытий.
| Таблица | ||||||
| № примера | Состав шихты, мас.% | Pгаза, МПа | Содержание MoSi2 в продуктах горения, мас.% | |||
| MoO3 | Al | Si | SiO2 | |||
| 1 | 47,0 | 20,0 | 28,0 | 5,0 | 0,1 | 99,6 |
| 2 | 37,0 | 8,0 | 34,0 | 35,0 | 10 | 99,9 |
| 3 | 58,0 | 32,0 | 22,0 | 0 | 5 | 99,7 |
1. Способ получения литого дисилицида молибдена в режиме горения, включающий приготовление реакционной смеси порошков исходных компонентов, содержащей оксид молибдена VI, алюминий, кремний и оксид кремния, помещение реакционной смеси в реактор СВС в форме из тугоплавкого материала, выполненной из кварца, графита или нержавеющей стали, воспламенение смеси с последующим реагированием ее компонентов в режиме горения под давлением 0,1-10 МПа газа, выбранного из ряда, включающего аргон, азот, воздух или их смеси, при этом реакционную смесь готовят при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Оксид молибдена VI | 37,0-58,0 |
| Алюминий | 8,0-32,0 |
| Кремний | 22,0-34,0 |
| Оксид кремния | до 100,0 |
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что между реакционной смесью и стенкой формы помещают функциональный слой из смеси порошков оксидов алюминия и кремния или из порошка дисилицида молибдена.
