Огнеупорная шихта и многокомпонентный материал для защитных покрытий нагревательных элементов на основе хромита лантана, полученный из нее

Изобретение относится к тугоплавким неметаллическим материалам и может быть использовано для получения эффективных защитных покрытий нагревательных элементов на основе хромита лантана, работающих в воздушной атмосфере. Изобретение заключается в использовании огнеупорной шихты, составленной из хромита лантана, фритты из оксидных фаз и алюмоборосиликатного стекла при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: хромит лантана 32-44, фритта 43-48, стекло алюмоборосиликатное 13-20. Фритта из оксидных фаз содержит следующие компоненты, мас.%: оксид иттрия Y2O3 63-65, алюмомагниевая шпинель MgAl2O4 13-21, алюминат лантана LaAl11O18 6-13, муллит Al6Si2O13 6-13, a алюмоборосиликатное стекло - SiO2 53-55, CaO 18-20, Al2O3 13-15, В2О3 9-11, MgO 2-4. Полученный из шихты многокомпонентный материал для защитных покрытий содержит кристаллические фазы и стеклофазу в следующем соотношении, мас.%: LaCrO3 29-42, Y2O3 30-31, MgAl2O4 6-8,

LaAl11O18 3-5, Al6Si2O13 3-5, стеклофаза алюмоборосиликатная 16-22. Огнеупорная шихта и многокомпонентный материал обеспечивают прочное закрепление защитных покрытий на поверхности нагревательных элементов на основе хромита лантана, устранение трещинообразования и отслаивания защитных покрытий при термоциклировании, повышение ресурса службы нагревательных элементов с защитным покрытием. 2 н.п. ф-лы, 4 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к тугоплавким неметаллическим материалам и может быть использовано для получения эффективных защитных покрытий нагревательных элементов на основе хромита лантана, работающих в воздушной атмосфере.

Качество нагревательных элементов является важнейшим показателем, определяющим технические возможности и метрологические характеристики высокотемпературного лабораторного и испытательного оборудования.

Термическая диссоциация хромита лантана, нестабильность значений электрических характеристик во времени искажают условия испытаний и результаты измерений, сокращают срок службы нагревательных элементов на основе хромита лантана.

Формирование защитных покрытий из поликристаллических материалов многокомпонентного состава на поверхности нагревательных элементов на основе хромита лантана позволят повысить экологическую безопасность, стабильность значений электрических характеристик и ресурс службы нагревательных элементов.

Известен многокомпонентный материал, содержащий 0,5-50 мас.% хромита лантана и 0,5-50 мас.% оксида иттрия (авторское свидетельство СССР №998424; БИ №7, 1983 год). Недостатком известного материала является испаряемость паров 6-валентного хрома из хромита лантана при высокой температуре, составляющая более 10-4 г/(см2·ч). Испаряемость приводит к постепенному и необратимому изменению фазового и химического состава материала, деградации микроструктуры и ресурсных свойств материала нагревательного элемента.

Известен многокомпонентный материал на основе хромита лантана, в котором для уменьшения испаряемости 6-валентного хрома присутствуют кристаллические фазы оксида иттрия и хромита иттрия. Кроме того, материал содержит добавки оксидов кальция, магния, неодима, церия и алюминия (Патент РФ №2104984, БИ №5, 1998 год). Недостатком известного материала является испаряемость паров 6-валентного хрома из хромита лантана и хромита иттрия при высокой температуре, которая составляет 10-5-10-6 г/(см2·ч).

Ближайшим аналогом является огнеупорная шихта, включающая оксид иттрия Y2O3, оксид алюминия Al2O3, оксид лантана La2O3, оксид магния MgO, оксид хрома Cr2O3, диоксид кремния SiO2, оксид бора В2О3, и многокомпонентный материал для покрытий, содержащий кристаллические фазы: оксид иттрия Y2O3, алюмомагниевую шпинель MgAl2O4, хромит лантана LaCrO3, муллит Al6Si2O13, алюминат лантана LaAl11O18, оксид бора B2O3 (Патент РФ №21911758, БИ, №30, 2002 год). Материал имеет низкую испаряемость, которая составляет 10-7-10-8 г/(см2·ч). Недостатками прототипа являются: отсутствие прочного адгезионного закрепления материала защитного покрытия на поверхности нагревательного элемента; образование трещин и отслаивание защитного покрытия при термоциклировании нагревательного элемента в интервале температур от комнатной до 1500°С.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение устойчивости к термоциклированию и стабильности функциональных свойств материала за счет прочного адгезионного закрепления защитного покрытия на поверхности нагревательного элемента, устранения трещинообразования и отслаивания и минимизации скорости испарения материала защитного покрытия при термоциклировании в интервале температур от 20 до 1500°С.

Поставленная задача достигается тем, что огнеупорная шихта, включающая оксид иттрия Y2O3, оксид алюминия Al2O3, соединение лантана, оксид магния MgO, диоксид кремния SiO2, оксид бора В2О3, согласно изобретению содержит хромит лантана LaCrO3, фритту из оксидных фаз, мас.%: оксид иттрия Y2O3 63-65, алюмомагниевая шпинель MgAl2O4 13-21, алюминат лантана LaAl11O18 6-13, муллит

Al6Si2O13 6-13, и алюмоборосиликатное стекло состава, мас.%: SiO2 53-55, СаО 18-20, Al2O3 13-15, B2O3 9-11, MgO 2-4, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: хромит лантана 32-44, фритта 43-48, алюмоборосиликатное стекло 13-20.

Поставленная задача достигается также тем, что многокомпонентный материал для защитных покрытии нагревательных элементов на основе хромита лантана, включающий кристаллические фазы: хромит лантана LaCrO3, оксид иттрия Y2O3, алюмомагниевую шпинель MgAl2O4, алюминат лантана LaAl11O18, муллит Al6Si2O13, согласно изобретению содержит алюмоборосиликатную стеклофазу состава, мас.%: SiO2 53-54; СаО 18-19; Al2O3 13-14; В2О3 9-10; MgO 2-3; La2O3 0-2; Cr2O3 0-1, при следующем соотношении фаз, мас.%: LaCrO3 29-42, Y2O3 30-31, MgAl2O4 6-8, Al6Si2O13 3-5, LaAl11O18 3-5, стеклофаза алюмоборосиликатная 16-22.

Огнеупорная шихта реализована в виде многокомпонентного материала для защитных покрытий нагревательных элементов на основе хромита лантана. Защитное покрытие и фазовый состав многокомпонентного материала защитного покрытия формируются на внутренней и наружной поверхности нагревательного элемента на основе хромита лантана при первом разогреве до температуры 1500°С. При температуре выше 600°С алюмоборосиликатное стекло размягчается с образованием на поверхности нагревательного элемента переходного стеклокристаллического слоя. Сопряжение защитного покрытия с поверхностью нагревательного элемента на основе хромита лантана представлено на чертеже. Диспергирование и частичное растворение кристаллических фаз в алюмоборосиликатной стеклофазе высокой вязкости способствует адгезионному закреплению защитного покрытия, повышению устойчивости к трещинообразованию и устранению отслаивания защитного покрытия при термоциклировании. Скорость испарения материала защитного покрытия составляет 10-7-10-8 г/(см2·ч) за период испытаний в течение 1200 часов при температуре 1500°С.

Технический результат изобретения: прочное адгезионное закрепление защитного покрытия на поверхности нагревательного элемента за счет смачивания поверхности нагревательного элемента алюмоборосиликатной стеклофазой высокой вязкости, повышение устойчивости к трещинообразованию и устранение отслаивания защитного покрытия при термоциклировании за счет диспергирования кристаллических фаз в алюмоборосиликатной стеклофазе, увеличение ресурса работы нагревательных элементов на основе хромита лантана с защитным покрытием в интервале температур от 20 до 1500°С. Предлагаемый материал является поликристаллическим, что сдерживает его деградацию и повышает стабильность при температурах до 1500°С.Это позволяет применять его в качестве защитных покрытий на поверхности нагревательных элементов на основе хромита лантана в лабораторных и испытательных установках с максимальной рабочей температурой 1500°С.

Предлагаемое техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленно применимо.

При осуществлении изобретения использовали:

фритту из оксидных фаз состава, мас.%: оксид иттрия Y2O3 63-65, алюмомагниевая шпинель MgAl2O4 13-21, алюминат лантана LaAl11O18 6-13, муллит Al6Si2O13 6-13, полученную плавлением при температуре 1750°С;

синтетический хромит лантана LaCrO3, полученный плавлением при 2600°С;

алюмоборосиликатное стекло по ГОСТ 8325-78 состава, мас.%: SiO2 53-55, CaO 18-20, Al2O3 13-15, B2O3 9-11, MgO 2-4. Состав и свойства алюмоборосиликатного стекла приведены в табл.1.

Примеры реализации изобретения.

Пример 1.

Смешивали 44 г (44 мас.%) хромита лантана, 43 г (43 мас.%) фритты состава, мас.%: оксид иттрия Y2O3 63, алюмомагниевая шпинель MgAl2O4 18, алюминат лантана LaAl11O18 6, муллит Al6Si2O13 13, и 13 г (13 мас.%) алюмоборосиликатного стекла состава, мас.%: SiO2 53, CaO 20, Al2O3 13, B2O3 10, MgO 4. Из полученной огнеупорной шихты приготавливали шликер влажностью 30 мас.%. Защитный слой наносили на внутреннюю и наружную поверхность нагревательного элемента на основе хромита лантана набором слоя из шликера. Защитное покрытие и фазовый состав многокомпонентного материала защитного покрытия формировали при первом разогреве нагревательного элемента до температуры 1500°С. Состав огнеупорной шихты приведен в табл.2. Фазовый состав материала защитного покрытия приведен в табл.3. Результаты оценки состояния защитного покрытия по результатам 70 циклов нагрев - охлаждение по режиму 20-1500-20°С приведены в табл.4.

Пример 2.

Смешивали 41 г (41 мас.%) хромита лантана, 44 г (44 мас.%) фритты состава, мас.%: оксид иттрия Y2O3 64, алюмомагниевая шпинель MgAl2O4 15, алюминат лантана LaAl11O18 10, муллит Al6Si2O13 11, и 15 г (15 мас.%) алюмоборосиликатного стекла состава, мас.%: SiO2 54, CaO 20, Al2O3 13, B2O3 9, MgO 4. Из полученной огнеупорной шихты приготавливали шликер влажностью 30 мас.%. Защитный слой наносили на внутреннюю и наружную поверхность нагревательного элемента на основе хромита лантана набором слоя из шликера. Защитное покрытие и фазовый состав многокомпонентного материала защитного покрытия формировали при первом разогреве тепловыделяющего элемента до температуры 1500°С. Состав огнеупорной шихты приведен в табл.2. Фазовый состав материала защитного покрытия приведен в табл.3. Результаты оценки состояния защитного покрытия по результатам 70 циклов нагрев - охлаждение по режиму 20-1500-20°С приведены в табл.4.

Пример 3.

Смешивали 37 г (37 мас.%) хромита лантана, 46 г (46 мас.%) фритты состава, мас.%: оксид иттрия Y2O3 65, алюмомагниевая шпинель MgAl11O4 21, алюминат лантана LaAl11O18 7, муллит Al6Si2O13 7, и 17 г (17 мас.%) алюмоборосиликатного стекла состава, мас.%: SiO2 53, CaO 19, Al2O3 15, B2O3 10, MgO 3. Из полученной огнеупорной шихты приготавливали шликер влажностью 30 мас.%. Защитный слой наносили на внутреннюю и наружную поверхность нагревательного элемента на основе хромита лантана набором слоя из шликера. Защитное покрытие и фазовый состав многокомпонентного материала защитного покрытия формировали при первом разогреве нагревательного элемента до температуры 1500°С. Состав огнеупорной шихты приведен в табл.2. Фазовый состав материала защитного покрытия приведен в табл.3. Результаты оценки состояния защитного покрытия по результатам 70 циклов нагрев - охлаждение по режиму 20-1500-20°С приведены в табл.4.

Пример 4.

Смешивали 39 г (39 мас.%) хромита лантана, 43 г (43 мас.%) фритты состава, мас.%: оксид иттрия Y2O3 65, алюмомагниевая шпинель MgAl2O4 13, алюминат лантана LaAl11O18 12, муллит Al6Si2O13 10, и 18 г (18 мас.%) алюмоборосиликатного стекла состава, мас.%: SiO2 54, CaO 20, Al2O3 15, В2О3 9, MgO 2. Из полученной огнеупорной шихты приготавливали шликер влажностью 30 мас.%. Защитный слой наносили на внутреннюю и наружную поверхность нагревательного элемента на основе хромита лантана набором слоя из шликера. Защитное покрытие и фазовый состав многокомпонентного материала защитного покрытия формировали при первом разогреве нагревательного элемента до температуры 1500°С. Состав огнеупорной шихты приведен в табл.2. Фазовый состав материала защитного покрытия приведен в табл.3. Результаты оценки состояния защитного покрытия по результатам 70 циклов нагрев - охлаждение по режиму 20-1500-20°С приведены в табл.4.

Пример 5.

Смешивали 32 г (32 мас.%) хромита лантана, 48 г (48 мас.%) фритты состава, мас.%: оксид иттрия Y2O3 63, алюмомагниевая шпинель MgAl2O4 14, алюминат лантана LaAl11O18 10, муллит Al6Si2O13 13, и 20 г (20 мас.%) алюмоборосиликатного стекла состава, мас.%: SiO2 54, CaO 18, Al2O3 13, B2O3 11, MgO 4. Из полученной огнеупорной шихты приготавливали шликер влажностью 30 мас.%. Защитный слой наносили на внутреннюю и наружную поверхность нагревательного элемента на основе хромита лантана набором слоя из шликера. Защитное покрытие и фазовый состав многокомпонентного материала защитного покрытия формировали при первом разогреве нагревательного элемента до температуры 1500°С. Состав огнеупорной шихты приведен в табл.2. Фазовый состав материала защитного покрытия приведен в табл.3. Результаты оценки состояния защитного покрытия по результатам 70 циклов нагрев - охлаждение по режиму 20-1500-20°С приведены в табл.4.

Пример 6.

Смешивали 37 г (37 мас.%) хромита лантана, 47 г (47 мас.%) фритты состава, мас.%: оксид иттрия Y2O3 64, алюмомагниевая шпинель MgAl2O4 20, алюминат лантана LaAl11O18 8, муллит Al6Si2O13 8, и 16 г (16 мас.%) алюмоборосиликатного стекла состава, мас.%: SiO2 53, CaO 19, Al2O3 14, B2O3 11, MgO 3. Из полученной огнеупорной шихты приготавливали шликер влажностью 30 мас.%. Защитный слой наносили на внутреннюю и наружную поверхность нагревательного элемента на основе хромита лантана набором слоя из шликера. Защитное покрытие и фазовый состав многокомпонентного материала защитного покрытия формировали при первом разогреве нагревательного элемента до температуры 1500°С. Состав огнеупорной шихты приведен в табл.2. Фазовый состав материала защитного покрытия приведен в табл.3. Результаты оценки состояния защитного покрытия по результатам 70 циклов нагрев - охлаждение по режиму 20-1500-20°С приведена в табл.4.

Пример 7.

Смешивали 41 г (41 мас.%) хромита лантана, 45 г (45 мас.%) фритты состава, мас.%: оксид иттрия Y2O3 65, алюмомагниевая шпинель MgAl2O4 19, алюминат лантана LaAl11O18 9, муллит Al6Si2O13 7, и 14 г (14 мас.%) алюмоборосиликатного стекла состава, мас.%: SiO2 55, CaO 20, Al2O3 13, B2O3 10, MgO 2. Из полученной огнеупорной шихты приготавливали шликер влажностью 30 мас.%. Защитный слой наносили на внутреннюю и наружную поверхность нагревательного элемента на основе хромита лантана набором слоя из шликера. Защитное покрытие и фазовый состав многокомпонентного материала защитного покрытия формировали при первом разогреве нагревательного элемента до температуры 1500°С. Состав огнеупорной шихты приведен в табл.2. Фазовый состав материала защитного покрытия приведен в табл.3. Результаты оценки состояния защитного покрытия по результатам 70 циклов нагрев - охлаждение по режиму 20-1500-20°С приведены в табл.4.

Таким образом, заявляемая шихта и многокомпонентный материал для защитных покрытий нагревательных элементов на основе хромита лантана, полученный из нее, позволяют повысить устойчивость материала к термоциклированию и стабильность его функциональных свойств при температурах до 1500°С.

Таблица 1
Состав и свойства алюмоборосиликатного стекла
Наименование показателя Значение
Химический состав, мас.%
SiO2 53,0-55,0
СаО 18,0-20,0
Al2O3 13,0-15,0
В2О3 9,0-11,0
MgO 2,0-4,0
Истинная плотность, кг/м3 2540±100
Коэффициент термического расширения α20÷300, 10-6 1/К 3,8
Температура размягчения, °С 600
Динамический модуль упругости Ед, 109 Па 73

Таблица 4
Состояние защитного покрытия после термоциклирования
Номер примера Состояние защитного покрытия после термоциклирования по режиму 20-1500-20°С
Появление трещин Отслаивание
1 Отсутствие трещин после 70 циклов Отсутствие отслаивания после 70 циклов
2 Отсутствие трещин после 70 циклов Отсутствие отслаивания после 70 циклов
3 Отсутствие трещин после 70 циклов Отсутствие отслаивания после 70 циклов
4 Отсутствие трещин после 70 циклов Отсутствие отслаивания после 70 циклов
5 Отсутствие трещин после 70 циклов Отсутствие отслаивания после 70 циклов
6 Отсутствие трещин после 70 циклов Отсутствие отслаивания после 70 циклов
7 Отсутствие трещин после 70 циклов Отсутствие отслаивания после 70 циклов
Прототип Появление трещин после 3-4 циклов Отслаивание после 3-4 циклов

1. Огнеупорная шихта, включающая оксид иттрия Y2O3, оксид алюминия Al2O3, соединение лантана, оксид магния MgO, диоксид кремния SiO2, оксид бора В2О3, отличающаяся тем, что содержит хромит лантана LaCrO3, фритту из оксидных фаз, мас.%: оксид иттрия Y2O3 63-65, алюмомагниевая шпинель MgAl2O4 13-21, алюминат лантана LaAl11O18 6-13, муллит Al6Si2O13 6-13, и алюмоборосиликатное стекло состава, мас.%: SiO2 53-55, CaO 18-20, Al2O3 13-15, B2O3 9-11, MgO 2-4 при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Хромит лантана 32-44
Фритта 43-48
Стекло алюмоборосиликатное 13-20

2. Многокомпонентный материал для защитных покрытий нагревательных элементов на основе хромита лантана, полученный из шихты по п.1, включающий кристаллические фазы: хромит лантана LaCrO3, оксид иттрия Y2O3, алюмомагниевую шпинель MgAl2O4, алюминат лантана LaAl11O18, муллит Al6Si2O13, отличающийся тем, что содержит алюмоборосиликатную стеклофазу состава, мас.%: SiO2 53-54; CaO 18-19; Al2O3 13-14; B2O3 9-10; MgO 2-3; La2O3 0-2; Cr2O3 0-1 при следующем соотношении фаз, мас.%:

LaCrO3 29-42
Y2O3 30-31
MgAl2O4 6-8
Al6Si2O13 3-5
LaAl11O18 3-5
Стеклофаза алюмоборосиликатная 16-22


 

Похожие патенты:
Изобретение относится к композиции защитных покрытий и может быть использовано в химической, металлургической, авиационной промышленности, например, в производстве углеродных материалов и изделий из них.

Изобретение относится к области производства объемносилицированных углеродных композиционных материалов. .
Изобретение относится к области производства объемносилицированных изделий из углерод-карбидокремниевого материала. .

Изобретение относится к композиции керамического термического барьера, используемого в деталях машин из суперсплава. .
Изобретение относится к производству керамических изделий, преимущественно, декоративно-прикладного назначения. .
Изобретение относится к производству огнеупорных изделий и может быть использовано в авиационной и ракетной технике. .
Изобретение относится к области получения термостойких керамических пигментов для окрашивания керамических масс и глазурей, а также для получения подглазурных и надглазурных керамических красок.

Изобретение относится к сцинтилляционной технике, предназначенной для регистрации -, -, - и рентгеновского излучения, и может быть использовано в радиационной технике, в дозиметрии, в ядерно-физических экспериментальных исследованиях, для контроля доз и спектрометрии -, -, - и рентгеновского излучения.

Изобретение относится к классу высокотемпературных неметаллических материалов, предназначенных для защитных покрытий резистивных тепловыделяющих элементов, работающих в окислительных средах.

Изобретение относится к промышленности огнеупорных материалов и может быть использовано в качестве високоогнеупорного инертного электроизоляционного материала Цель изобретения - повышение электросопротивления, прочности и стойкости к расплавам агрессивных металлов.
Изобретение относится к области получения керамики
Наверх