Шихта керамического материала для высокотемпературного применения в окислительных средах

Авторы патента:

Лукин Евгений Степанович (RU)

Попова Нелля Александровна (RU)

Лапин Петр Георгиевич (RU)

Чепуренко Александр Дмитриевич (RU)

Шайдуллина Лиана Тагировна (RU)

Санникова Светлана Николаевна (RU)

C04B35/565 - на основе карбида кремния

C04B35/443 - магнийалюминатная шпинель

C04B35/111 - тонкая керамика

Владельцы патента RU 2498963:

Открытое акционерное общество "Композит" (ОАО "Композит") (RU)

Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к получению материала для высокотемпературного применения на основе тугоплавких бескислородных и оксидных соединений, характеризующегося высокой прочностью, термической и окислительной стойкостью, стойкостью к термоудару при градиенте температуры до 2000 К в условиях воздействия высокоскоростного окислительного потока. Технический результат заключается в возможности использования указанного керамического материала при температуре Т=1800°С при комплексном воздействии механических и тепловых нагрузок в условиях окислительных сред. Это достигается тем, что композиционный керамический материал для высокотемпературного применения в окислительных средах получают из шихты, содержащей SiC, Y₂O₃, Al₂O₃ и/или Al₂O₃·MgO, при следующем соотношении компонентов, (% мас.): SiC 76-80, Y₂O₃ 4-5, Al₂O₃ и/или Al₂O₃·MgO - остальное. Получаемый керамический материал имеет следующие характеристики: плотность 99% от теоретической, прочность при изгибе 400±25 МПа, прочность при сжатии 1200±40 МПа, твердость по Виккерсу 25-27 ГПа, K1_c - 8,5-10,0 МПа·м^1/2, окислительная стойкость ≤0,015 мг/см²сек, рабочая температура 1800°С. 5 пр., 1 табл.

Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к составу шихты для получения конструкционного материала для высокотемпературного применения на основе тугоплавких бескислородных и оксидных соединений, характеризующихся высокой прочностью, термической и окислительной стойкостью, стойкостью к термоудару при градиенте температуры до 2000 К в условиях воздействия высокоскоростного (300 м/с) окислительного потока.

Известен керамический материал (RU 2402507, Кл. С04В 35/565, 27.10.2010), содержащий (мас.%): 0,7-1,4, MgO 4,1-8,2 Y₂O₃, 5,2-10,4 Al₂O₃, остальное SiC.

Известен так же керамический материал (RU 2406196, кл. Н01Т 21/02, 10.12.2010), содержащий карбид кремния 50-75 (мас.%) и 25-50 (мас.%) Y₂O₃+Al₂O₃, способствующих при обжиге изделий образованию иттрий-алюминиевого граната. обеспечивающего спекание материала до высокой плотности за счет образования жидкой фазы.

Указанные материалы имеют высокий уровень свойств, но могут быть применимы как конструкционный материал при сравнительно низких температурах.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения (взят за прототип) является керамический материал (US 5656218, С04В 35/64, от 12.08.1997), шихта для изготовления которого состоит (% мас.): карбид кремния 10-90, оксид алюминия 3-15, оксид иттрия 2-10. При обжиге изделий оксидные компоненты практически полностью взаимодействуют с образованием иттрий-алюминиевого граната, способствующего спеканию до высокой плотности.

Задача, на решение которой направлено изобретение, является получение высокотемпературного конструкционного материала с высокой окислительной, коррозионной и термической стойкостью в условиях воздействия высокоскоростного окислительного газового потока.

Указанные известные керамические материалы на основе карбида кремния не могут быть использованы в столь же жестких условиях службы в связи с большим содержанием в их фазовом составе компонентов со сравнительно низкой температурой плавления (1930°С).

Технический результат изобретения заключается в разработке состава шихты для конструкционного керамического материала для высокотемпературного применения при температурах 1800°С и выше при комплексном длительном воздействии механических и тепловых нагрузок в условиях окислительной среды.

Это достигается тем, что шихта керамического материала для высокотемпературного применения в окислительных средах для получения конструкционного керамического материала, состоящая из SiC, Y₂O₃, Al₂O₃ и/или MgO·Al₂O₃, содержит компоненты в следующем соотношении (% мас.):

SiC	76-80
Y₂O₃	4-5
Al₂O₃ и/или MgO·Al₂O₃	16-19

Высокая стойкость к окислению и эрозионному воздействию высокотемпературному (до 2000°С) газовому потоку обеспечивается незначительным содержанием иттрий-алюминиевого граната (состав 1), а в случае содержания Y₂O₃ и шпинели в материале присутствуют высокотемпературные фазы (Тпл.≥2100°С), что и обуславливает их высокую стойкость к разным факторам воздействия.

Исследования физико-технических характеристик проводили на образцах размером 6×6×50 мм и пластинах размером 63×60×8 мм.

Разработанные конструкционные материалы в пределах предлагаемых составов шихты имеют следующие свойства: плотность - 97-99%, прочность при изгибе 340-400 МПа, прочность при сжатии 1000-1200 МПа, твердость 23-27 ГПа, критический коэффициент интенсивности напряжений К1с 8-10 МПа·м^1/2 и высокую стойкость к окислению (см. таблицу).

Пример 1.

Керамические порошки в соотношении 0,2% оксида иттрия, 34,8% оксида алюминия, 65% (% масс.) карбида кремния измельчают в среде ацетона на планетарной мельнице до дисперсности 1-5 мкм. Сушку проводят на воздухе при температуре 70-80°С.

Измельченную шихту гранулируют с добавлением 5% (%мас.) поливинилового спирта и формуют образцы прессованием при давлении 250 МПа. Спекание проводят при температуре 1800°С в среде аргона при давлении 1,2 МПа с выдержкой при конечной температуре в течение 2 часов. (Свойства в таблице)

Пример 2.

Совместным измельчением в планетарной мельнице до дисперсности 0,1-5 мкм в среде безводного этилового спирта изготавливают порошковую шихту, состоящую из 19% оксида алюминия, 76% карбида кремния, 5% (% мас.) оксида иттрия. Сушку проводят на воздухе при температуре 70-80°С.

Приготавливают формовочную массу, содержащую 5% (% мас.) технологической связки из поливинилового спирта и 95% (% мас.) керамического порошка.

Образцы изготавливают прессованием при давлении 300 МПа. Сушку проводят на воздухе при температуре 150-200°С. Спекание проводят при температуре 1750°С в среде аргона при давлении 1,2 МПа с выдержкой при конечной температуре в течение 2 часов. (Свойства в таблице)

Пример 3.

Керамические порошки в соотношении 4% оксида иттрия, 16% алюмомагнезиальной шпинели, 80% (% мас.) карбида кремния измельчают в среде ацетона на планетарной мельнице до дисперсности 0.05-5 мкм.

Измельченную шихту гранулируют с добавлением 5% (% мас.) поливинилового спирта и формуют образцы прессованием при давлении 300 МПа. Спекание проводят при температуре 1800°С в среде аргона при давлении 1,2 МПа с выдержкой при конечной температуре в течение 2 часов.

Пример 4.

Порошок, состоящий из 17,5% алюмомагнезиальной шпинели, 4,5% оксида иттрия, 78% (% мас.) карбида кремния, измельчают в планетарной мельнице в среде безводного спирта до дисперсности 0,4-3 мкм. Измельченную шихту гранулируют с добавлением 5% (% мас.) поливинилового спирта и формуют прессованием при давлении 250 МПа. Спекание проводят при температуре 1850°С в среде аргона при давлении 1,2 МПа с выдержкой при конечной температуре в течение 2 часов.

Пример 5.

Керамические порошки в соотношении 3% оксида иттрия, 27% алюмомагнезиальной шпинели, 70% (% мас.) карбида кремния измельчают в среде ацетона на планетарной мельнице до дисперсности 0,1-4 мкм.

Измельченную шихту гранулируют с добавлением 5% (% мас.) поливинилового спирта и формуют образцы прессованием при давлении 250 МПа. Спекание проводят при температуре 1750°С в среде аргона при давлении 1,2 МПа с выдержкой при конечной температуре в течение 2 часов.

Компонентные составы и свойства композиционною керамического материала.

Таблица
№ п/п	Состав, % мас.	Плотность % от теор.	Прочность при изгибе, МПа	Прочность при сжатии, МПа	Твердость по Виккерсу, ГПа	К1c, МПа·м^1/2	Δm*мг/см²с
	34,8%
	Al₂O₃
1	65% SiC	90	210	630	17	4,3	0,08
	0,2% Y₂O₃
	19% Al₂O₃
2	76% SiC	97	340	1000	24	8	0,019
	5% Y₂O₃
	16%
	Al₂O₃·MgO
3	80% SiC	98	380	1100	23	10,0	0,015
	4% Y₂O₃
	17,5%
	Al₂O₃·MgO
4	78% SiC	99	400	1200	27	9,3	0,017
	4,5% Y₂O₃
	27%
5	Al₂O₃·MgO	98	300	800	18	9,2	0,012
	70% SiC
	3% Y₂O₃
6	Прототип	95	200	600	15	-	0,2
*Привес массы после выдержки на воздухе при 1650°С за 5 часов.

Изделия из предлагаемого материала могут быть использованы для изготовления теплонапряженных деталей, работающих при температурах до 2000 К в условиях, которые требуют высокой прочности, твердости и окислительной стойкости, а также в условиях термоудара, например чехлов для термопар непрерывного контроля температуры расплавов металлов. В металлообрабатывающей промышленности - для изготовления режущего инструмента, в нефте- и газодобывающей промышленности - клапанные устройства и уплотнительные кольца насосов, наконечники мундштуков для сварки, сопловые насадки для пескоструйных аппаратов и распылителей химических растворов.

Шихта керамического материала для высокотемпературного применения в окислительных средах для получения конструкционного керамического материала, состоящая из SiC, Al₂O₃ и/или MgO·Al₂O₃ и Y₂O_3, отличающаяся тем, что содержит компоненты в следующем соотношении (% мас.):

SiC	76-80
Y₂O₃	4-5
Al₂O₃ и/или MgO·Al₂O₃	16-19

Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к получению композиционного материала для высокотемпературного применения на основе тугоплавких бескислородных и оксидных соединений.

Способ изготовления изделий из углерод-карбидокремниевого материала // 2494962

Изобретение может быть использовано при получении конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, для химической, нефтехимической, химико-металлургической промышленности и авиатехники.

Способ изготовления изделий из углерод-карбидокремниевого материала // 2494043

Изобретение может быть использовано в химической, нефтехимической и химико-металлургической отраслях промышленности, а также в авиатехнике для изготовления конструкционных материалов, подвергающихся воздействию агрессивных сред и механическим нагрузкам.

Способ изготовления изделий из углерод-карбидокремниевого материала // 2494042

Изобретение может быть использовано в химической, нефтехимической и химико-металлургической отраслях промышленности, а также в авиатехнике для получения конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды.

Высокопрочная нанопленка или нанонить и способ их получения (варианты) // 2492139

Изобретение относится к нанотехнологиям и предназначено для получения высокопрочной трубчатой или комбинированной нити, пленки или ленты (разница только в ширине) нанотолщины из тройной структуры бор-углерод-кремний B-C-Si (насколько мне известно, оно не имеет названия, поэтому далее будем называть его, а точнее - наноизделия из него - «старброн»).

Способ изготовления образцов для экспресс-оценки качества графитированного наполнителя при силицировании изделий на его основе // 2475462

Изобретение относится к способу получения углеродсодержащих образцов, предназначенных для проведения экспресс-оценки качества графитированного наполнителя для изготовления силицированных изделий на его основе.

Способ нанесения покрытия на покрытую карбидом кремния подложку // 2466116

Изобретение относится к способу нанесения покрытия на деталь с выполненной из карбида кремния (SiC) поверхностью. .

Способ получения порошковой композиции на основе карбосилицида титана // 2460706

Изобретение относится к производству керамических составов на основе карбосилицида титана, может быть использовано в машиностроительной и горнодобывающей промышленности, в инструментальном и ремонтном производствах для получения износостойких покрытий деталей узлов трения.

Растворный способ получения карбидокремниевой шихты с оксидным активатором спекания и способ получения керамики на ее основе // 2455262

Изобретение относится к области производства композиционного материала на основе карбида кремния и сложного оксидного связующего, способного работать в агрессивных средах, а также в условиях ударно-динамических нагрузок, а именно в качестве материала для пар трения и бронезащитных изделий.

Способ получения огнеупорного материала на основе карбида кремния и кремния // 2439032

Изобретение относится к области материаловедения, в частности к высокотемпературным керамическим материалам, и может быть использовано для получения огнеупорного конструкционного материала на основе карбида кремния и кремния.

Огнеупор для элемента насадки регенератора стеклоплавильной печи // 2494996

Настоящее изобретение относится к плавлено-литому огнеупору, который может быть использован в качестве элемента конструкции насадок регенераторов стеклоплавильных печей, например, для плавления натрий-кальциевого стекла, работающих в восстановительных условиях.

Способ получения керамики на основе алюмомагнезиальной шпинели // 2486160

Изобретение относится к способам получения керамических материалов на основе двойных оксидов и может быть использовано в огнеупорной промышленности, металлургии, радиотехнике, энергетике и теплотехнике.

Плавленый материал на основе магнезиальной шпинели и способ его получения // 2417201

Изобретение относится к производству огнеупорных материалов и может быть использовано для изготовления шпинельсодержащих огнеупоров для футеровки тепловых агрегатов.

Способ получения огнеупорного материала // 2379261

Изобретение относится к производству огнеупоров, а именно к способам получения огнеупорных уплотняющих и облицовочных материалов, и может быть использовано для изготовления уплотнительных, разделительных, герметизирующих и т.п.

Состав для получения огнеупорного материала // 2379260

Изобретение относится к производству огнеупоров, а именно к огнеупорным уплотняющим и облицовочным материалам в виде лент, шнуров, пластин, профилей и т.п., и может быть использовано для изготовления уплотнительных, разделительных, герметизирующих и т.п.

Комплексный оксид прокаленной шпинели и способ его получения // 2293716

Изобретение относится к комплексному оксиду прокаленной шпинели, который используют для водоудерживающих и хорошо дренированных искусственных заполнителей. .

Шпинельный огнеупор // 2260573

Изобретение относится к огнеупорной промышленности, в частности к производству огнеупорных изделий для футеровки плавильных печей, например плавки алюминиевых сплавов.

Способ получения высокопрочного углеродсодержащего огнеупора // 2223247

Изобретение относится к технологии огнеупорных материалов и может быть использовано при изготовлении огнеупоров для особо ответственных участков футеровки сталеплавильных, сталеразливочных и других металлургических агрегатов.

Набивная огнеупорная масса основного состава // 2222511

Изобретение относится к области производства огнеупоров для высокотемпературных агрегатов черной и цветной металлургии, химической промышленности и может быть использовано, в частности, для забивки зазоров на стыке футеровок, например, в установках внепечной обработки и вакуумирования стали.

Магнезиально-шпинелидный огнеупор // 2198859

Изобретение относится к огнеупорной промышленности и может быть использовано для изготовления магнезиально-шпинелидных огнеупоров (МШО), предназначенных для футеровки медеплавильных печей, а также подин нагревательных печей, нижнего строения мартеновских печей и т.д.

Способ получения корундовой керамики // 2494994

Изобретение относится к способам получения корундового керамического материала, предназначенного для изготовления изделий из конструкционной керамики с повышенными статическими нагрузками.