Керамический композиционный материал для изготовления сопел
Владельцы патента RU 2665735:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к высокотемпературным композитам, стойким к окислению и термическим ударам при контакте с расплавленным металлом, и может быть использовано при изготовлении сопел для распыления металлов и сплавов. Керамический композиционный материал на основе нитрида бора содержит следующие компоненты, об. %: нитрид бора 71-73, диоксид циркония 17-19, карбид кремния 8-9, диборид циркония 1-2. При заявленном содержании и соотношении компонентов нитрида бора и диоксида циркония в предлагаемом керамическом композиционном материале образуется мелкозернистая структура с содержанием тетрагонального диоксида циркония, имеющего свойство трансформационного упрочнения, что обеспечивает повышение коррозионной стойкости и механических свойств. Карбид кремния и диборид циркония способствуют окислительной стойкости и уменьшают негативное влияние теплового расширения. 2 табл.
Изобретение относится к области керамических композиционных материалов в частности, к высокотемпературным композитам, стойким к окислению и термическим ударам при контакте с расплавленным металлом, и может быть использовано при изготовлении сопел для распыления металлов и сплавов.
В настоящее время развитие аддитивных технологий стимулировало развитие технологий получения порошков металлов. Общим требованием к порошкам для аддитивных технологий является сферическая форма частиц. Это связано, во-первых, с тем, что такие частицы более компактно укладываются в определенный объем. И, во-вторых, обеспечивает необходимую текучесть порошковой композиции с минимальным сопротивлением в системах подачи материала. При производстве металлических порошков для аддитивных технологий широко применяют атомизацию (распыление) расплавленного металла, поскольку этот метод позволяет получать форму частиц металлов близкую к сферической. Для распыления расплавленных металлов используются сопла из высокотемпературных материалов. Высокие температуры плавления (никелевых, кобальтовых, железных и прочих) сплавов приводят к эрозии сопла, нарушению его геометрии и образованию дефектных порошков, которые препятствуют их нормальному нанесению при использовании для аддитивных технологий. Стабильность фракционного состава порошков получаемых атомизацией зависит не только от поддержания параметров расхода металла и распыляющей среды, но и от стабильности геометрии сопла.
Для предотвращения эрозии сопел и взаимодействия распыляемых металлов с материалом сопла, в настоящее время применяются керамические композиционные материалы, разработанные для непрерывного литья стали и сплавов. В отличие от литья при атомизации материал сопла испытывает большие термические напряжения за счет подачи на его внешнюю сторону сопла холодного распыляющего газа. Поэтому к материалу сопла предъявляются требования по стойкости к термическому удару (термостойкости), а также к окислительной стойкости. Разработка усовершенствованного материала для сопел имеет значение для аддитивных технологий.
Перспективными материалами в металлургической промышленности считаются композиты на основе нитрида бора (BN) из-за его высокой температуры плавления, химической инертности, высокой термостойкости и низкого смачивания расплавленными металлами. Однако существенные недостатки нитрида бора, такие как низкие механические свойства и слабая коррозионная стойкость к расплавленной стали, являются препятствиями для его практического применения. Для устранения этих недостатков применяют различные добавки, повышающие эксплуатационные свойства сопла.
Известен керамический композиционный материал (CN 103626498 В, B22D 11/10, опубл. 08.07.2015 г.), содержащий нитрид бора, оксид циркония, связующие вещества и стабилизаторы, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
нитрид бора от 55 до 65
карбид кремния от 15 до 20
диоксид циркония от 20 до 25
связующие вещества от 1 до 7
стабилизаторы от 1 до 10
Недостатками данного материала являются:
- Низкая стойкость к термоудару.
- Низкая рабочая температура из-за большого содержания связующих веществ и стабилизаторов.
- Низкая производительность механической обработки из-за большого содержания карбида кремния и диоксида циркония.
Известен также керамический композиционный материал (CN 102173792 В, С04В 35/48, опубл. 20.03.2013 г.), используемый для изготовления боковых уплотнителей при литье стали, на основе оксида циркония, нитрида бора и добавок, при следующем соотношении компонентов, об. %:
Диоксид циркония от 20 до 70
Нитрид бора от 20 до 70
Добавка от 2 до 30
Недостатками данного материала являются:
- Низкая стойкость к термоудару при температурах выше 1500°C.
Наиболее близким к предлагаемому керамическому композиционному материалу по технической сущности и достигаемому эффекту является керамический материал (ЕР 2030959 B1, B22D 11/04, опубл. 14.04.2010 г.) принятый за прототип на основе нитрида бора и диоксида циркония, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
нитрид бора от 30 до 42
диоксид циркония от 58 до 70
Недостатками данного материала являются:
- Низкая стойкость к термоудару при температурах выше 1500°C.
- Низкая производительность механической обработки при больших содержаниях оксида циркония.
Технической задачей и техническим результатом заявляемого изобретения является получение керамического композиционного материала с повышенной коррозионной и окислительной стойкостью, увеличением механических свойств, повышением производительности механической обработки, улучшением термостойкости, увеличением срока службы материала.
Для достижения поставленного технического результата предлагается керамический композиционный материал на основе нитрида бора, включающий добавки диоксид циркония, карбид кремния, при этом дополнительно содержащий добавку диборид циркония при следующем соотношении компонентов, об. %:
нитрид бора от 71 до 73
диоксид циркония от 17 до 19
карбид кремния от 8 до 9
диборид циркония от 1 до 2
При проведении исследований установлено, что при заявленном содержании и соотношении компонентов нитрида бора и диоксида циркония в предлагаемом керамическом композиционном материале образуется мелкозернистая структура с содержанием тетрагонального диоксида циркония, имеющего свойство трансформационного упрочнения, что обеспечивает повышение коррозионной стойкости и механических свойств, не приводя к ухудшению термостойкости из-за чрезмерного содержания ZrO2. Содержание нитрида бора более 70 об. % повышает производительность механической обработки.
Добавление карбида кремния и диборида циркония способствует увеличению окислительной стойкости, улучшает его механические свойства и уменьшает негативное влияние теплового расширения, что в свою очередь увеличивает срок службы материала.
Отсутствие в предложенном керамическом композиционном материале связующих веществ и стабилизаторов позволяет использовать более широкий спектр металлов и сплавов, поскольку снижает вероятность их взаимодействия с распыляемыми материалами.
В лабораторных условиях методом горячего прессования были изготовлены образцы из керамического композиционного материала, состав которых приведен в таб. 1.
Свойства образцов из керамического композиционного материала оценивались при испытаниях на прочность при сжатии, прочность при изгибе и термостойкость.
Приведенные в табл. 2 свойства показывают, что применение предлагаемого керамического композиционного материала в качестве материала для изготовления сопел для распыления металлов и сплавов позволяет повысить показатель термостойкости при сохранении прочностных свойств на уровне аналогов.
Керамический композиционный материал на основе нитрида бора, включающий добавки диоксид циркония, карбид кремния, отличающийся тем, что дополнительно содержит добавку диборид циркония при следующем соотношении компонентов, об. %:
нитрид бора от 71 до 73
диоксид циркония от 17 до 19
карбид кремния от 8 до 9
диборид циркония от 1 до 2.
