RU2544206C1 - Method of manufacturing products from ceramic-matrix composite material - Google Patents

Method of manufacturing products from ceramic-matrix composite material Download PDF

Info

Publication number
RU2544206C1
RU2544206C1 RU2013156185/03A RU2013156185A RU2544206C1 RU 2544206 C1 RU2544206 C1 RU 2544206C1 RU 2013156185/03 A RU2013156185/03 A RU 2013156185/03A RU 2013156185 A RU2013156185 A RU 2013156185A RU 2544206 C1 RU2544206 C1 RU 2544206C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
silicon
coke
binder
metals
filler
Prior art date
Application number
RU2013156185/03A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Лазаревич Синани
Вячеслав Максимович Бушуев
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"
Priority to RU2013156185/03A priority Critical patent/RU2544206C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2544206C1 publication Critical patent/RU2544206C1/en

Links

Landscapes

  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: matrix from thermostable fibres is made, filled with disperse filler and impregnated with coke-forming binding agent. As dispersive filler applied are refractory metals such as B, Si, Ti, Zr, Hf, in capsule from respective nitride or without one. Then, moulding of plastic workpiece and its thermal processing in nitrogen medium at temperature of carbide and/or carbonitrides of respective metals is realised. Obtained porous workpiece is siliconised by steam-liquid phase method by capillary condensation of silicon vapour, heated to 1700-1850°C and kept in the said interval of temperatures for 1-3 hours.
EFFECT: invention provides possibility of manufacturing bulky thin-walled products without application of mechanical processing, increased reliability of their work in oxidising media at high temperatures.
3 cl, 13 ex, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области композиционных материалов с керамической матрицей, предназначенных для работы в условиях окислительной среды и механического нагружения при высоких температурах.The invention relates to the field of composite materials with a ceramic matrix, designed to work in an oxidizing environment and mechanical loading at high temperatures.

Известен способ изготовления изделий из углерод-карбидокремниевого композиционного материала (УККМ), включающий формирование каркаса из углеродных волокон, уплотнение его путем насыщения пироуглеродом и силицирования [патент США №4397901, кл. C23C 11/08, 1983].A known method of manufacturing products from carbon-carbide-silicon composite material (UKKM), including the formation of a skeleton of carbon fibers, compacting it by saturation with pyrocarbon and silicification [US patent No. 4397901, class. C23C 11/08, 1983].

При таком способе в материале остается много свободного кремния, понижающего уровень рабочих температур изделия и увеличивающего остаточные напряжения в материале (из-за расширения кремния при затвердевании), что приводит к снижению его прочности. Кроме того, материал имеет недостаточно высокое содержание карбида кремния, что снижает его стойкость при работе в окислительных средах при высоких температурах.With this method, a lot of free silicon remains in the material, which lowers the level of working temperatures of the product and increases the residual stresses in the material (due to the expansion of silicon during solidification), which leads to a decrease in its strength. In addition, the material does not have a sufficiently high content of silicon carbide, which reduces its stability when working in oxidizing environments at high temperatures.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления изделий из керамоматричного композиционного материала, включающий изготовление каркаса из термостойких волокон и заполнение его дисперсным наполнителем с последующим силицированием полученной заготовки.The closest to the proposed technical essence and the achieved effect is a method of manufacturing products from ceramic composite materials, including the manufacture of a frame of heat-resistant fibers and filling it with a dispersed filler, followed by siliconizing the resulting workpiece.

В соответствии с этим способом в качестве дисперсного наполнителя используют графитовый порошок, а силицирование осуществляют жидкофазным методом путем пропитки заготовки расплавом кремния [1] Л.Н. Тучинский. Композиционные материалы, получаемые методом пропитки, М.: Металлургия, 1986 г. с.194. [2] В.Н. Костиков и др. - В кн. «Конструкционные материалы на основе углерода. М.: Металлургия, 1980, №15 с.78-88.In accordance with this method, graphite powder is used as a dispersed filler, and siliconization is carried out by the liquid-phase method by impregnating the preform with a molten silicon [1] L.N. Tuchinsky. Composite materials obtained by the method of impregnation, M.: Metallurgy, 1986 p.194. [2] V.N. Kostikov et al. - In the book. “Carbon-based structural materials. M .: Metallurgy, 1980, No. 15 p. 78-88.

Способ позволяет существенно повысить содержание карбида кремния и снизить содержание свободного кремния в керамоматричном композиционном материале за счет уменьшения размеров пор и тем самым в какой-то степени повысить его окислительную стойкость и прочность.The method can significantly increase the content of silicon carbide and reduce the content of free silicon in the ceramic composite material by reducing pore size and thereby to some extent increase its oxidative stability and strength.

Способ не обеспечивает возможность изготовления крупногабаритных тонкостенных изделий без их механической обработки. Кроме того, получаемый этим способом композиционный материал (КМ) имеет все-таки недостаточную прочность из-за частичной деградации свойств армирующих волокон, в частности, углеродные волокна под воздействием кремния частично карбидизуются, а карбидокремниевые - частично растворяются в расплаве (или конденсате паров) кремния.The method does not provide the possibility of manufacturing large-sized thin-walled products without their mechanical processing. In addition, the composite material (KM) obtained by this method still has insufficient strength due to partial degradation of the properties of the reinforcing fibers, in particular, carbon fibers partially carbidize under the influence of silicon, and silicon carbide partially dissolve in the silicon melt (or vapor condensate) .

Задачей изобретения является обеспечение возможности изготовления крупногабаритных тонкостенных изделий без применения механической обработки, а также повышение надежности их работы в окислительных средах при высоких температурах.The objective of the invention is to provide the possibility of manufacturing large-sized thin-walled products without the use of mechanical processing, as well as improving the reliability of their work in oxidizing environments at high temperatures.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе изготовления изделий из керамоматричного композиционного материала, включающем изготовление каркаса из термостойких волокон, заполнение его дисперсным наполнителем и силицирование полученной пористой заготовки, в соответствии с предлагаемым техническим решением в качестве дисперсного наполнителя используют тугоплавкие металлы, такие как B, Si, Ti, Zr, Hf, в капсуле из соответствующего нитрида или без таковой, а силицирование заготовки проводят паро-жидкофазным методом путем капиллярной конденсации паров кремния с последующим нагревом до 1700-1850°C и выдержкой в указанном интервале температур в течение 1-3х часов; при этом перед проведением процесса силицирования заполненный дисперсным наполнителем каркас из термостойких волокон пропитывают коксообразующим связующим, формуют пластиковую заготовку и производят ее термообработку в среде азота при температуре образования карбидов и/или карбонитридов соответствующих металлов.The problem is solved due to the fact that in the method of manufacturing products from a ceramic composite material, including the manufacture of a framework of heat-resistant fibers, filling it with a dispersed filler and siliconizing the resulting porous preform, in accordance with the proposed technical solution, refractory metals are used as a dispersed filler, such as B, Si, Ti, Zr, Hf, in a capsule of the corresponding nitride or without it, and the workpiece is siliconized by the vapor-liquid phase method by capillary molecular condensation silicon vapor, followed by heating to 1700-1850 ° C and holding at this temperature range for 1-3 hours; in this case, before carrying out the siliconization process, the framework of heat-resistant fibers filled with dispersed filler is impregnated with a coke-forming binder, a plastic preform is formed and it is heat treated in a nitrogen medium at the temperature of formation of carbides and / or carbonitrides of the corresponding metals.

В предпочтительном варианте выполнения способа капсулирование частиц металла осуществляют после заполнения ими каркаса путем термообработки полученной пористой заготовки в среде азота.In a preferred embodiment of the method, the encapsulation of the metal particles is carried out after filling the framework by heat treatment of the obtained porous preform in a nitrogen atmosphere.

Еще в одном предпочтительном варианте выполнения способа формования пластиковой заготовки осуществляют на основе связующего, представляющего собой смесь коксообразующего связующего с силиконовым связующим.In another preferred embodiment of the method of molding a plastic preform, it is carried out on the basis of a binder, which is a mixture of a coke-forming binder with a silicone binder.

Использование в качестве дисперсного наполнителя тугоплавких металлов, таких как B, Si, Ti, Zr, Hf, в капсуле из соответствующего нитрида или без таковой, создает условия для формирования некоторой части керамической матрицы и/или дискретного упрочнения ее частицами, образующимися в процессе химического преобразования частиц дисперсного наполнителя.The use of refractory metals such as B, Si, Ti, Zr, Hf as a disperse filler in the capsule of the corresponding nitride or without it creates the conditions for the formation of a certain part of the ceramic matrix and / or discrete hardening by its particles formed during the chemical transformation particulate filler particles.

Осуществление перед процессом силицирования операции формования пластиковой заготовки на основе коксообразующего связующего и термообработки в среде азота при температуре образования карбидов и/или карбонитридов соответствующих металлов позволяет придать заготовке требуемую форму и размеры до того, как ее материал превратится в трудно механически обрабатываемый, а также - в совокупности с вышерассмотренным признаком - реализовать условия, необходимые для частичного формирования керамической матрицы (т.е. еще до проведения процесса силицирования) или, по крайней мере, для дисперсного упрочнения керамической матрицы карбидами и/или карбонитридами тугоплавких металлов.The implementation before the silicification process of forming a plastic preform based on a coke-forming binder and heat treatment in a nitrogen medium at the temperature of formation of carbides and / or carbonitrides of the corresponding metals allows the workpiece to be given the desired shape and size before its material becomes difficult to machine, and also into in conjunction with the above feature - to implement the conditions necessary for the partial formation of a ceramic matrix (i.e., even before the process silicification) or, at least, for dispersed hardening of a ceramic matrix by carbides and / or carbonitrides of refractory metals.

При этом проведение термообработки в азоте позволяет повысить вероятность образования карбонитридов металлов.In this case, the heat treatment in nitrogen increases the likelihood of the formation of metal carbonitrides.

И еще: в результате химического взаимодействия кокса (углерода) с такими металлами как B, Si, Ti, Zr, Hf (в том числе имеющими капсулу из соответствующих нитридов) расходуется часть кокса. Тем самым облегчается перевод оставшейся части кокса в карбид кремния при проведении процесса силицирования.And yet: as a result of the chemical interaction of coke (carbon) with metals such as B, Si, Ti, Zr, Hf (including those having a capsule of the corresponding nitrides), part of the coke is consumed. This facilitates the conversion of the remainder of the coke to silicon carbide during the siliconization process.

В еще большей степени облегчается - при проведении процесса силицирования - переработка кокса в карбид кремния, если формование пластиковой заготовки осуществляют на основе связующего, представляющего собой смесь коксообразующего связующего с силоксановым связующим. Обусловлено это тем, что при взаимодействии силоксановых групп с коксом образуются летучие соединения, а именно: моноокись кремния (SiO) и окись углерода (CO), что приводит к формированию в материале заготовки (перед процессом силицирования) дополнительной открытой пористости.It is even more facilitated — during the siliconization process — the processing of coke into silicon carbide if the plastic preform is formed on the basis of a binder, which is a mixture of a coke-forming binder with a siloxane binder. This is due to the fact that during the interaction of siloxane groups with coke, volatile compounds are formed, namely: silicon monoxide (SiO) and carbon monoxide (CO), which leads to the formation of an additional open porosity in the workpiece material (before the siliconizing process).

Кроме того, осуществление перед процессом силицирования операции формования пластиковой заготовки на основе коксообразующего связующего и термообработки в среде азота при температуре образования карбидов и/или карбонитридов соответствующих металлов позволяет существенно уменьшить доступ кремния к поверхности армирующих волокон. Достигается это как за счет прикрытия части их поверхности частично образующейся керамической матрицей, так и за счет уменьшения размеров пор, в которые (в уже меньшем количестве) входит кремний, вынужденный (к тому же) в первую очередь взаимодействовать с более активным, чем армирующие волокна, коксом.In addition, the implementation before the siliconizing process of forming a plastic preform based on a coke-forming binder and heat treatment in a nitrogen environment at the temperature of formation of carbides and / or carbonitrides of the corresponding metals can significantly reduce the access of silicon to the surface of the reinforcing fibers. This is achieved both by covering part of their surface with a partially formed ceramic matrix, and by reducing the size of pores, which (in an already smaller amount) contain silicon, which is forced (moreover) to primarily interact with more active than reinforcing fibers coke.

Проведение силицирования пористой заготовки паро-жидкофазным методом путем капиллярной конденсации паров кремния позволяет ввести кремний в поры сколь угодно малых размеров (даже в поры менее 3 мкм, в которые не проникает расплав кремния) и даже в поры, поверхность которых устлана активным к кремнию коксом, и получить после их взаимодействия карбид кремния.Siliconizing a porous preform by the vapor-liquid-phase method by capillary condensation of silicon vapors allows silicon to be introduced into pores of arbitrarily small sizes (even into pores smaller than 3 μm into which silicon melt does not penetrate) and even into pores whose surface is covered with coke active against silicon, and get silicon carbide after their interaction.

Продолжение дальнейшего нагрева до 1700-1850°C и выдержки в указанном интервале температур в течение 1-3х часов позволяет завершить карбидизацию кремния и тем самым - формирование керамической матрицы.Continuing further heating to 1700-1850 ° C and holding in that temperature range for 1-3 hours allows complete carbidization silicon and thus - the formation of the ceramic matrix.

В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения появляется новое свойство: способность придать изделию из КМ требуемую форму и размеры без применения механической обработки, а также обеспечить высокое содержание в КМ керамической матрицы при исключении деградации свойств армирующих волокон.In the new set of essential features, the object of the invention has a new property: the ability to give the product from KM the desired shape and size without the use of mechanical processing, as well as to ensure a high content of KM ceramic matrix with the exception of the degradation of the properties of the reinforcing fibers.

Новое свойство позволяет решить поставленную задачу, а именно: обеспечивает возможность изготовления крупногабаритных тонкостенных изделий из керамоматричного композиционного материала без применения механической обработки, а также позволяет повысить надежность их работы в окислительных средах при высоких температурах.The new property allows us to solve the problem, namely: it provides the ability to manufacture large-sized thin-walled products from ceramic composite materials without the use of mechanical processing, and also improves the reliability of their work in oxidizing environments at high temperatures.

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

Изготавливают каркас из термостойких волокон таких, как углеродные и карбидокремниевые волокна. Затем заполняют каркас дисперсным наполнителем. При этом в качестве дисперсного наполнителя используют тугоплавкие металлы, такие как B, Si, Ti, Zr, Hf в капсуле из соответствующего нитрида или без таковой. В предпочтительном варианте выполнения способа капсулирование частиц металла осуществляют после заполнения ими каркаса путем термообработки полученной пористой заготовки в среде азота.The frame is made of heat-resistant fibers such as carbon and silicon carbide fibers. Then the frame is filled with dispersed filler. In this case, refractory metals, such as B, Si, Ti, Zr, Hf in a capsule of the corresponding nitride or without it, are used as a dispersed filler. In a preferred embodiment of the method, the encapsulation of the metal particles is carried out after filling the framework by heat treatment of the obtained porous preform in a nitrogen atmosphere.

Затем осуществляют формование пластиковой заготовки. Для этого волокнистую заготовку пропитывают коксообразующим связующим (а в предпочтительном варианте исполнения способа пропитывают связующим, представляющим собой смесь коксообразующего связующего с силоксановым связующим), отверждают под давлением при температуре отверждения связующего.Then carry out the molding of the plastic blank. For this, the fiber preform is impregnated with a coke-forming binder (and in a preferred embodiment of the method, it is impregnated with a binder, which is a mixture of a coke-forming binder with a siloxane binder), cured under pressure at the curing temperature of the binder.

После получения пластиковой заготовки (с требуемыми формой и размерами) проводят термообработку в азоте при конечной температуре, равной температуре образования карбидов и/или карбонитридов соответствующих металлов (для разных нитридов она может отличаться).After receiving a plastic preform (with the required shape and size), heat treatment is carried out in nitrogen at a final temperature equal to the temperature of formation of carbides and / or carbonitrides of the corresponding metals (it may differ for different nitrides).

Затем полученную после проведения термообработки пористую заготовку силицируют паро-жидкофазным методом путем капиллярной конденсации паров кремния. При этом происходит вхождение кремния в поры сколь угодно малых размеров. Осуществляют это при сравнительно низких температурах (не более 1500°C). После этого продолжают нагрев до 1700-1850°C, производят выдержку в указанном интервале температур в течение 1-3х часов для завершения карбидизации кремния. В этот период может происходить также частичное химическое взаимодействие кремния с карбидами и/или карбонитридами металлов с образованием тройных фаз Новотного (типа Ti5Si3C и т.п.) и силицидов соответствующих металлов, обладающих высокой окислительной стойкостью.Then, the obtained porous preform obtained after heat treatment is siliconized by the vapor-liquid-phase method by capillary condensation of silicon vapors. In this case, silicon enters the pores of arbitrarily small sizes. This is done at relatively low temperatures (not more than 1500 ° C). Thereafter, heating was continued up to 1700-1850 ° C, producing an extract in this temperature range for 1-3 hours to complete the carbonization silicon. During this period, a partial chemical interaction of silicon with metal carbides and / or carbonitrides of metals can also occur with the formation of Novotny triple phases (such as Ti 5 Si 3 C and the like) and silicides of the corresponding metals with high oxidation resistance.

Затем заготовку охлаждают.Then the workpiece is cooled.

Ниже приведены примеры конкретного выполнения способа изготовления изделий из КМ с керамической матрицей.The following are examples of a specific implementation of the method of manufacturing products from KM with a ceramic matrix.

Примеры 1, 1а, 1б.Examples 1, 1a, 1b.

Изделие в виде пластины размером 100×400×3,6 мм изготавливали следующим образом. Из углеродной ткани марки ТМП-4 (имеющей на волокнах пироуглеродное покрытие) сформировали ткане-прошивной каркас толщиной 4,3 мм. Каркас заполнили мелкодисперсным наполнителем, для чего приготовили суспензию на основе порошка кремния (пример 1) или кремния в капсуле из нитрида кремния (пример 1а) с размером частиц не более 5 мкм и произвели ей пропитку под вакуумом с наложением на суспензию ультразвука. Затем полученную пористую заготовку пропитали коксообразующим связующим, а именно: фенол-формальдегидным марки БЖ-3. После этого произвели формование пластиковой заготовки под давлением 6 кгс/см2 при конечной температуре 150°C. Получили пластиковую заготовку размером 100×400×3,5 мм. Затем произвели термообработку пластиковой заготовки в среде аргона (пример 1) и в среде особо чистого азота (пример 1а и 1б) при конечной температуре 1300°C. В этот период произошло образование из полимерной матрицы кокса и взаимодействие некоторой его части с кремнием (пример 1) или с капсулированным в нитрид кремниевой оболочке кремнием. При этом образовался карбид и/или карбонитрид кремния. После этого полученную заготовку поместили в реторту (расположенную в реакторе вакуумной установки) вместе с тиглями, заполненными кремнием. Затем произвели нагрев заготовки и тиглей с кремнием при давлении в реакторе 27 мм рт.ст. до температуры 1750°C. При этом после достижения заготовкой температуры 1400°C на тиглях с кремнием установили более высокую температуру (в конкретном случае 1500°C) за счет дополнительного их подогрева, произвели выдержку при указанных температурах 8 часов. В этот период реализовался процесс капиллярной конденсации паров кремния, что позволило заполнить поры материала кремнием. Затем произвели нагрев до 1750°C и выдержку при 1750-1800°C в течение 2-х часов в отсутствии перепада температур между парами кремния и заготовкой. В этот период большая часть кокса, оставшаяся непрореагировавшей после взаимодействия с мелкодисперсным порошком кремния, карбидизовалась за счет взаимодействия с конденсатом паров кремния. После этого заготовку охладили. В результате, в соответствии с примером 1, получили пластину из КМ с сохранением ее формы и размеров, полученных после формования пластиковой заготовки. КМ имел кажущуюся плотность 1,72 г/см3 и открытую пористость 0,6%. Содержание в нем карбида кремния и свободного кремния составили 39,6% и 11,8% соответственно.The product in the form of a plate measuring 100 × 400 × 3.6 mm was made as follows. A carbon-piercing framework 4.3 mm thick was formed from carbon fabric of the TMP-4 brand (having a pyrocarbon coating on the fibers). The framework was filled with a fine filler, for which a suspension was prepared on the basis of silicon powder (example 1) or silicon in a capsule of silicon nitride (example 1a) with a particle size of not more than 5 μm and impregnated to it under vacuum with superposition of ultrasound onto the suspension. Then, the obtained porous preform was impregnated with a coke-forming binder, namely phenol-formaldehyde grade BZH-3. After that, the plastic preform was molded under a pressure of 6 kgf / cm 2 at a final temperature of 150 ° C. Received a plastic blank of size 100 × 400 × 3.5 mm Then, the plastic billet was heat-treated in argon (example 1) and in highly pure nitrogen (examples 1a and 1b) at a final temperature of 1300 ° C. During this period, the formation of coke from the polymer matrix and the interaction of some of it with silicon (Example 1) or silicon encapsulated in a nitride silicon shell occurred. In this case, silicon carbide and / or silicon carbonitride was formed. After this, the obtained preform was placed in a retort (located in the reactor of the vacuum unit) together with crucibles filled with silicon. Then the billet and crucibles with silicon were heated at a reactor pressure of 27 mm Hg. up to a temperature of 1750 ° C. Moreover, after the workpiece reached a temperature of 1400 ° C, a higher temperature was set on crucibles with silicon (in the specific case 1500 ° C) due to their additional heating, and exposure was performed at the indicated temperatures for 8 hours. During this period, the process of capillary condensation of silicon vapors was realized, which allowed filling the pores of the material with silicon. Then it was heated to 1750 ° C and held at 1750-1800 ° C for 2 hours in the absence of a temperature difference between the silicon vapor and the workpiece. During this period, most of the coke remaining unreacted after interaction with a finely divided silicon powder was carbidized due to interaction with a silicon vapor condensate. After that, the workpiece was cooled. As a result, in accordance with example 1, a KM plate was obtained with preservation of its shape and dimensions obtained after molding a plastic preform. CM had an apparent density of 1.72 g / cm 3 and an open porosity of 0.6%. The content of silicon carbide and free silicon in it amounted to 39.6% and 11.8%, respectively.

Примеры 2, 2а, 2б, 2в.Examples 2, 2a, 2b, 2c.

Изготавливали аналогично примеру 1 пластину размером 100×400×3,5 мм из КМ. Отличие состояло в том, что качестве дисперсного наполнителя использовали титан (а точнее: гидрид титана, т.к. порошок титана очень активно поглощает газы и к тому же является очень пирофорным) (пример 2), порошок бора (пример 2а), порошок циркония (пример 2б), порошок гафния (пример 2в) с размерами частиц не более 5 мкм. Свойства полученного материала приведены в таблице.A plate with a size of 100 × 400 × 3.5 mm was made of KM, analogously to Example 1. The difference was that titanium (or rather titanium hydride, was used as a dispersed filler, since titanium powder very actively absorbs gases and is also very pyrophoric) (example 2), boron powder (example 2a), zirconium powder (example 2b), hafnium powder (example 2c) with particle sizes of not more than 5 microns. The properties of the obtained material are given in the table.

Пример 3.Example 3

Изготавливали аналогично примеру 1 пластину размером 100×400×3,5 мм из КМ. Отличие состояло в том, что в качестве связующего при формовании пластиковой заготовки использовали смесь коксообразующего связующего (фенол-формальдегидного марки БЖ-3) с полисилоксановым связующим (кремнийорганической смолой марки К-9). Свойства полученного КМ приведены в таблице.A plate with a size of 100 × 400 × 3.5 mm was made of KM, analogously to Example 1. The difference was that as a binder in the molding of a plastic blank, a mixture of a coke-forming binder (phenol-formaldehyde grade BZh-3) with a polysiloxane binder (organosilicon resin K-9 brand) was used. The properties of the obtained CM are shown in the table.

Пример 4.Example 4

Изготавливали аналогично примеру 1 пластину размером 100×400×3,5 мм из КМ. Отличие состояло в том, что в качестве армирующего наполнителя использовали углеродную ткань марки УТ-900.A plate with a size of 100 × 400 × 3.5 mm was made of KM, analogously to Example 1. The difference was that carbon fiber fabric of the UT-900 brand was used as a reinforcing filler.

Свойства полученного материала приведены в таблице.The properties of the obtained material are given in the table.

Пример 5.Example 5

Изготавливали аналогично примеру 1 пластину размером 100×400×3,5 мм из КМ. Отличие состояло в том, что в качестве армирующего наполнителя использовали ткань из карбидокремниевых волокон марки Никалон. Свойства материала приведены в таблице.A plate with a size of 100 × 400 × 3.5 mm was made of KM, analogously to Example 1. The difference was that as a reinforcing filler, a fabric made of Nikalon carbide-silicon fibers was used. Material properties are given in the table.

Пример 6 конкретного выполнения способа, а также примеры 1, 1а, 1б, 2а-2в, 3-5 в более кратком изложении, но с указанием некоторых свойств КМ, приведены в таблице. Здесь же приведены примеры 7 и 8 изготовления изделий из КМ в соответствии со способом-прототипом.Example 6 of a specific implementation of the method, as well as examples 1, 1a, 1b, 2a-2c, 3-5 in a more concise summary, but with an indication of some properties of the CM, are shown in the table. Here are examples 7 and 8 of the manufacture of products from KM in accordance with the prototype method.

На основе анализа таблицы можно сделать следующие выводы:Based on the analysis of the table, the following conclusions can be drawn:

1. Изготовление изделий из КМ с керамической матрицей в соответствии с заявленным способом позволяет получить КМ:1. The manufacture of products from KM with a ceramic matrix in accordance with the claimed method allows to obtain KM:

а) с достаточно высоким содержанием керамической матрицы, сравнительно низким содержанием свободного кремния и углерода;a) with a sufficiently high content of ceramic matrix, a relatively low content of free silicon and carbon;

б) с более высокой в сравнении с прототипом прочностью (сравни примеры 1, 2, 3 с примером 8, а примеры 4, 6 с примером 7), что обусловлено меньшей деградацией свойств армирующего наполнителя под воздействием кремния.b) with higher strength in comparison with the prototype (compare examples 1, 2, 3 with example 8, and examples 4, 6 with example 7), which is due to less degradation of the properties of the reinforcing filler under the influence of silicon.

2. В зависимости от среды и температуры обработки пластиковой заготовки тугоплавкие металлы превращаются в соответствующие карбиды и/или карбонитриды металлов (карбонитрид условно обозначен как MeC×MeN, Me - металл). При силицировании они частично переходят в силициды металлов.2. Depending on the medium and temperature of processing the plastic billet, refractory metals turn into the corresponding carbides and / or carbonitrides of metals (carbonitride is conventionally designated as MeC × MeN, Me is metal). When siliconizing, they partially transfer to metal silicides.

Результаты замера геометрии заготовок пластин на переделах свидетельствуют о принципиальной возможности их сохранения и при изготовлении предлагаемым способом крупногабаритных тонкостенных изделий.The results of measuring the geometry of the plate blanks in the redistribution indicate the fundamental possibility of their preservation in the manufacture of large-sized thin-walled products by the proposed method.

ТаблицаTable № п/пNo. p / p Тип и марка волокнистого наполнителяType and grade of filler Тип дисперсного наполнителяType of particulate filler Тип и марка связующего, используемого при формовании пластиковой заготовкиType and grade of binder used in the molding of plastic preforms Температура при термообработке °C, давление в реакторе, средаHeat treatment temperature ° C, reactor pressure, medium Максимальная температура при силицировании, °CThe maximum temperature during silicification, ° C Свойства KMKM Properties Плотность, г/см3 Density, g / cm 3 Открытая пористость, %Open porosity,% СоставStructure Содержание, вес.%Content, wt.% Содержание свободного углерода/кремния, вес.%The content of free carbon / silicon, wt.% Предел прочности при растяжении, МПаTensile Strength, MPa Керамической матрицыCeramic matrix **** 1one 22 33 4four 55 66 77 88 99 1010 11eleven 1212 1one Низкомодульная углеродная ткань марки ТМП-4TMP-4 low-modulus carbon fabric кремнийsilicon Фенол-формальдегидное марки БЖ-3Phenol-formaldehyde grade БЖ-3 1300, Pатм, аргон1300, P atm , argon 18001800 1,721.72 0,60.6 SiC+C+SiSiC + C + Si 39,639.6 11,8/7,911.8 / 7.9 43,443,4 1a1a -//-- // - кремний в капсуле из Si3N4* silicon in a capsule of Si 3 N 4 * -//-- // - 1400, Pатм, азот1400, P atm , nitrogen -//-- // - 1,711.71 0,70.7 Si3N4×SiC+SiC+C+SiSi 3 N 4 × SiC + SiC + C + Si 40,240,2 10,3/8,510.3 / 8.5 48,948.9 1b -//-- // - кремнийsilicon -//-- // - 1400, Pатм, азот1400, P atm , nitrogen -//-- // - 1,701.70 0,60.6 -//-- // - 40,840.8 9,7/8,39.7 / 8.3 45,645.6 22 -//-- // - гидрид титанаtitanium hydride -//-- // - 1400, Pатм, аргон1400, P atm , argon -//-- // - 1,831.83 1,41.4 TiC+C+SiC+SiTiC + C + SiC + Si 50,950.9 7,0/3,87.0 / 3.8 50,150.1 2a2a -//-- // - борboron -//-- // - -//-- // - -//-- // - 1,661,66 0,80.8 B4C+SiC+C+SiB 4 C + SiC + C + Si 43,943.9 9,8/4,19.8 / 4.1 -- 2b -//-- // - цирконийzirconium -//-- // - -//-- // - -//-- // - 1,861.86 1,71.7 ZrC+SiC+C+SiZrC + SiC + C + Si 50,050,0 8,1/4,38.1 / 4.3 -- 2c -//-- // - гафнийhafnium -//-- // - -//-- // - -//-- // - 1,901.90 1,41.4 HfC+SiCHfC + SiC 51,851.8 7,5/3,97.5 / 3.9 --

1one 22 33 4four 55 66 77 88 99 1010 11eleven 1212 33 Низкомодульная углеродная ткань марки ТМП-4TMP-4 low-modulus carbon fabric кремнийsilicon Смесь фенол-формальдегидного связующего марки К-9A mixture of phenol-formaldehyde binder grade K-9 1300, Pатм, аргон1300, P atm , argon 18001800 1,761.76 0,80.8 SiC+C+SiSiC + C + Si 43,943.9 9,6/6,89.6 / 6.8 40,140.1 4four Углеродная ткань марки УТ-900UT-900 brand carbon fabric -//-- // - Фенол-формальдегидное связующее марки БЖ-3Phenol-formaldehyde binder grade BZH-3 -//-- // - -//-- // - 1,881.88 5,95.9 SiC+C+SiSiC + C + Si 47,447.4 8,5/6,98.5 / 6.9 105,9105.9 55 Ткань из карбидокремниевых волокон типа «Никалон»Fabric made of silicon carbide fibers such as "Nikalon" -//-- // - -//-- // - -//-- // - -//-- // - 2,452.45 2,02.0 SiC×Si3N4+SiC+C+SiSiC × Si 3 N 4 + SiC + C + Si 31,731.7 6,5/5,06.5 / 5.0 164,7164.7 66 Углеродная ткань марки УТ-900UT-900 brand carbon fabric -//-- // - -//-- // - 1300, Pатм, азот1300, P atm , nitrogen 17001700 1,921.92 4,84.8 SiC×Si3N4+SiC+C+SiSiC × Si 3 N 4 + SiC + C + Si 50,150.1 7,1/6,47.1 / 6.4 108,3108.3 77 Высокомодульная углеродная ткань марки УТ-900UT-900 high modulus carbon fabric графит с размером частиц ≤5 мкмgraphite with particle size ≤5 μm -- -- 17501750 1,941.94 6,06.0 SiCSiC 55,255,2 9,8/7,59.8 / 7.5 69,169.1 88 Низкомодульная углеродная ткань марки ТМП-4TMP-4 low-modulus carbon fabric графит с размером частиц ≤5 мкмgraphite with particle size ≤5 μm -- -- 17501750 1,781.78 0,40.4 SiCSiC 51,351.3 9,4/7,79.4 / 7.7 34,534.5 * капсулирование частиц кремния в каркасе, проведенное путем нагрева с 800°C при Pатм в особо чистом азоте с выдержками при 1000, 1100, 1200, 1300, 1400°C в течение 2-х часов.* encapsulation of silicon particles in the framework, carried out by heating from 800 ° C at P atm in especially pure nitrogen with extracts at 1000, 1100, 1200, 1300, 1400 ° C for 2 hours. ** за исключением содержания свободного C и Si.** excluding the content of free C and Si.

Claims (3)

1. Способ изготовления изделий из керамоматричного композиционного материала, включающий изготовление каркаса из термостойких волокон, заполнение его дисперсным наполнителем и силицирование полученной пористой заготовки, отличающийся тем, что в качестве дисперсного наполнителя используют тугоплавкие металлы, такие как B, Si, Ti, Zr, Hf, в капсуле из соответствующего нитрида или без таковой, а силицирование заготовки проводят паро-жидкофазным методом путем капиллярной конденсации паров кремния с последующим нагревом до 1700-1850°C и выдержкой в указанном интервале температур в течение 1-3х часов; при этом перед проведением процесса силицирования заполненный дисперсным наполнителем каркас из термостойких волокон пропитывают коксообразующим связующим, формуют пластиковую заготовку и производят ее термообработку в среде азота при температуре образования карбидов и/или карбонитридов соответствующих металлов.1. A method of manufacturing products from a ceramic composite material, including the manufacture of a frame of heat-resistant fibers, filling it with a dispersed filler and siliconizing the resulting porous preform, characterized in that refractory metals such as B, Si, Ti, Zr, Hf are used as a dispersed filler , in a capsule of the corresponding nitride or without it, and the workpiece is siliconized by the vapor-liquid phase method by capillary condensation of silicon vapor, followed by heating to 1700-1850 ° C and holding in the specified temperature range for 1-3 x hours; in this case, before carrying out the siliconization process, the framework of heat-resistant fibers filled with dispersed filler is impregnated with a coke-forming binder, a plastic preform is formed and it is heat treated in a nitrogen medium at the temperature of formation of carbides and / or carbonitrides of the corresponding metals. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что капсулирование частиц металла осуществляют после заполнения ими каркаса путем термообработки полученной пористой заготовки в среде азота.2. The method according to claim 1, characterized in that the encapsulation of the metal particles is carried out after filling the frame by heat treatment of the obtained porous preform in nitrogen. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что формование пластиковой заготовки осуществляют на основе связующего, представляющего собой смесь коксообразующего связующего с силоксановым связующим. 3. The method according to claim 1, characterized in that the molding of the plastic preform is carried out on the basis of a binder, which is a mixture of coke-forming binder with a siloxane binder.
RU2013156185/03A 2013-12-17 2013-12-17 Method of manufacturing products from ceramic-matrix composite material RU2544206C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013156185/03A RU2544206C1 (en) 2013-12-17 2013-12-17 Method of manufacturing products from ceramic-matrix composite material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013156185/03A RU2544206C1 (en) 2013-12-17 2013-12-17 Method of manufacturing products from ceramic-matrix composite material

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2544206C1 true RU2544206C1 (en) 2015-03-10

Family

ID=53290440

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013156185/03A RU2544206C1 (en) 2013-12-17 2013-12-17 Method of manufacturing products from ceramic-matrix composite material

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2544206C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5855955A (en) * 1995-06-07 1999-01-05 Lanxide Technology Company L.P. Method for making self-supporting composite bodies
RU2194682C2 (en) * 2001-01-09 2002-12-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Институт Термохимии" Method of manufacturing thin-wall products from silicicated carbon composite
RU2458888C1 (en) * 2011-03-11 2012-08-20 Вячеслав Максимович Бушуев Method of producing protective coatings on articles with carbon-containing base

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5855955A (en) * 1995-06-07 1999-01-05 Lanxide Technology Company L.P. Method for making self-supporting composite bodies
RU2194682C2 (en) * 2001-01-09 2002-12-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Институт Термохимии" Method of manufacturing thin-wall products from silicicated carbon composite
RU2458888C1 (en) * 2011-03-11 2012-08-20 Вячеслав Максимович Бушуев Method of producing protective coatings on articles with carbon-containing base

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ТУЧИНСКИЙ Л.Н. "Композиционные материалы, получаемые методом пропитки", Москва, Металлургия, 1986, с. 194. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2728429C1 (en) Method of making articles from composite c/c-sic material and products based thereon
US20160060752A1 (en) Method for producing a composite material with a carbide matrix
US6277440B1 (en) Preparation of ceramic matrix composites by infiltration of fibrous preforms with fluids or slurries and subsequent pyrolysis
RU2458890C1 (en) Method of making articles from carbon-silicon carbide material
RU2351572C2 (en) Method for manufacture of products from carbon-ceramic composite material
US5925405A (en) Method of manufacturing ceramic, metallic or ceramo-metallic, shaped bodies and layers
CN113929485A (en) TiC-Ti3SiC2Preparation method of double-modified C/C-SiC composite material
US10723658B2 (en) Method of fabricating a ceramic from a chemical reaction
CN106882976A (en) A kind of preparation method of C/HfC-ZrC-SiC composites
JP2000044360A (en) Carbon/carbon composite material containing ceramic and its production
RU2544206C1 (en) Method of manufacturing products from ceramic-matrix composite material
CN115894082B (en) (ZrHfTiTaNb) C-W metal high-entropy ceramic modified C/C composite material and preparation method thereof
RU2573495C1 (en) Method to manufacture products from ceramic matrix composite material
CN112457035A (en) Preparation method of Hf-Ta-C reinforced C/SiC ceramic matrix composite
Lee et al. Extraordinary thermal stability of SiC particulate-reinforced polymer-derived Si–B–C–N composites
RU2554645C2 (en) Method of producing articles from sintered composites
RU2539465C2 (en) Method for manufacturing products of reaction-sintered composite material
Suo et al. Influence of an initial hot-press processing step on the mechanical properties of 3D-C/SiC composites fabricated via PIP
RU2546216C1 (en) Method for manufacturing products from ceramic matrix composite material
RU2494998C2 (en) Method of making articles from carbon-silicon carbide material
RU2511415C1 (en) Ceramic material based on silicon carbide and nitride and method of manufacturing products from it
Amirthan et al. Properties of Si/SiC ceramic composite subjected to chemical vapour infiltration
RU2624707C1 (en) Method of producing sealed products from composite materials
RU2558053C1 (en) Method of making articles from ceramic-matrix composite material
RU2570076C1 (en) Method to manufacture items from composite material with carbon-ceramic matrix

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181218