BG60549B1 - Метод и устройство за получаване на керамични композиционни изделия - Google Patents

Abstract

Керамичните композиционни изделия намират приложение в машиностроенето, металургията и други области на промишлеността. По метода основният метал се стопява и контактува с материала на пълнежа, като се образува продукт на окислителната реакция, проникващ в поръозния пълнежен материал. Така се получава керамичната композиционна структура. Основниятметал е алуминий, силиций, титан, калай, цирконийили хафний. Процесът се провежда в сегментен контейнер, в който са разположени основният метал и пълнежният материал.

Description

Изобретението се отнася до метод и усторйство за поучаване на керамични композиционни изделия и намира приложение в машиностроенето, металургията и др, за производство на керамични композиционни изделия с желана конфигурация, якостни и експлоатационни свойства.

През последните години се наблюдава нарастващ интерес към използването на керамиката като заместител на конструкционни изделия от метали. Този интерес се засилва от превъзходството на керамиката по отношение на някои нейно свойства като устойчивост на корозия, повишена твърдост, по-добри модул на еластичност и огнеупорност в сравнение с тези на металите.

Съвременните усилия за производство на керамични изделия с по-голяма якост и твърдост изцяло са съсредоточени първо върху разработването на усъвършенствувани методи за производство на монолитна керамика и второ, разработване на нови композицонни материали, а именно композиции с керамична матрица. Композиционна структура е тази, която обхваща хетерогенен материал, на тяло или изделия, направено от два или повече различни материала, които са комбинирани и свързани така, че да се постигнат желани свойства на композицията. Например, два различни материала могат да се комбинират и свързани чрез включване на единия в матрицата на другия. Една композиционна структура с керамична матрица обикновено се състои керамична матрица, която включва в себе си един или повече различни видове пълнежни материали като частици, фибри, пръчици и други подобни.

Известен е метод за производство на самоносещо керамично тяло чрез окисляване на основен метал. При този метод се използва процеса окисляване, който може да се стимулира посредством използването на един или повече стимулатори - добавки легиращи основния метал, за получаване на самоносещи керамични тела с желана форма, израснали като продукт от окислителната реакция от основен метал /1/.

Този метод е усъвършенстван посредством използването на една или повече добавки, положени към повърхността на изходния основен метал /2/.

Известен е и метод за производство на самоносеща керамична композиция посредством израстване на продукт от окислителната реакция на основен метал в порьозната маса от пълнежен материал /3/.

Едно друго усъвършенстване на горните методи позволява образуването на самоносещи керамични структури, които съдържат в себе си една или повече кухини, които са съответен отпечатък на очертанията на оформения основен метал, поставен в пласт от пълнежен материал който се самосвързва при специфични условия /4/.

Друго усъвършенстване на горните методи позволява образуването на самоносещи керамични тела с негативен отпечатък, който съответно отпечатава позитивния отпечатък на основния метал, е поставен срещу маса от пълнеж /5/.

Известно е, че основният метал може да се разположи така, че да се осигури допълнителен приток основен метал, който да допълва постоянно основния метал, намиращ се и контакт с тялото или масата от пълнежен материал. Добавъчния основен метал протича под действие на гравитационните сили, допълвайки основния метал, който е изразходван по време на окислителния процес, с което се осигурява достатъчно количество основен метал, необходимо за продължаване на процеса докато се образува желаното количество поликристален материал /6/.

Известно е усторйство, което следва от гореописаните патентни източници, включва поставка на тяло от основен метал в контакт с пласт по проницаем пълнеж, разположен в подходящ съд или контейнер. Съдът или контейнерът трябва да могат да издържат на условията на реакцията и да запазват структурната си цялост, така че те може да са изправени от огнеупорен материал като инконел, неръждаема стомана или други подобни.

Общ недостатък на известните методи и устройства е това, че те не гарантират компенсация на топлинните разширения между израстващото керамично композицонно тяло и съда, в който то се осъществява. Това може да доведе до получаване на различни дефекти в пълнежния пласт като кухини, пукнатини и др., като вероятността за това се увеличава пропорционално на разликата в коефициентите на топлинно разширение. Като резултат не може да се гарантира и голяма точност на размерите на готовото керамично композиционно изделие.

Задачата на изобретението е да се създаде метод и устройство за получаване на керамични композиционни изделия, чрез които да се намали влиянието на температурните коефициенти на разширение и да се отстранят възможностите за получаване на дефекти в готовото изделие.

Задачата, съгласно изобретението, е решена, като е създаден метод и устройство, реализиращо метода, за получаване на керамичните композиционни изделия.

Техническа същност на изобретението:

Тяло от основен метал се поставя в пълнежна маса в сегментен контейнер, в който е образувана поне една компенсационна връзка за температурни разширения.

Основния метал се нагрява в окислителна атмосфера за образуване на тяло от течен основен метал в контакта с пълнежната маса и образуване чрез окисляване на основния течен метал на продукти на окислителните реакции.

Температурата се поддържа в диапазон над точката на топене на основния метал и под точката на топене на всеки продукт от окислителните реакции, при което продуктите на окислителната реакция непрекъснато инфилтрират в порьозната пълнежна маса до пълното образуване на композиционната керамична структура в предвиденото крайно изделие.

Температурният интервал при използване на алуминий като основен метал и въздух като окислителна среда е в границите между 850°С и 1450°С.

Като основен метал може да се използва един или различна комбинация от алуминий, силиций, титан, калай, цирконий и хафний.

За ускоряване на процеса на окислителните реакции може да се използва поне една добавка.

Устройството за реализиране на метода включва сегментен контейнер, който по желание може да е облицован с термоустойчив материал, такъв като метален екран, например екран от неръждаема стомана, който може да е перфориран. Сегментният контейнер може да съдържа надлъжни сегменти от цилинд рични втулки, вътре в които е поставена масата от пълнежа и тялото от основен метал в контакт с пълнежната маса. Например тялото от основен метал може да е включено вътре в масата на пълнежен материал. Сегментният контейнер е съставен от един или повече сегменти е коефициент на термично разширение по-голям от този на масата пълнежен материал, като сегментите са с такава конфигурация и такива размери, че образуват помежду си една или повече компенсационни връзки. Компенсационните връзки се използват, за да поемат термичното разширение на сегментите чрез разширение по периферията, с което забавят радиалното разширение на сегментите, така че се намалява обемното разширение на контейнера. Сегментният контейнер може да се укрепи по всеки от познатите начини.

Според друг вариант на изобретението сегментите обхващат част от тяло, притежаващо срещуположни надлъжни ръбове и поне един страничен надлъжен участък, който се свързва към тялото чрез радиално простиращо се рамо и е радиално изместен от тялото, като се простира радиално от него зад рамото и свършва в един надлъжен ръб, който е радиално изместен от тялото. По този начин се получава изместен надлъжен ръб. Тази конструкция служи, за да осигури периферно отстояние между рамото и изместения надлъжен ръб. Изместеният надлъжен ръб на един сегмент от контейнера е в непосредствена близост с надлъжен ръб от съседен сегмент, така че да поеме поне част от топлинното разширение на сегментите в периферно направление.

Доколкото сегментният контейнер може да бъде от всеки подходящ материал, в специфичните варианти на изобретението той преимуществено е от метал, избран от групата на никеловите и железните високо-температурни сплави, т.е. от групата, включваща неръждаема стомана.

Използваните по-нататък в описанието и в приложените претенции термини имат следното значение:

“Керамика” не трябва да се тълкува като термин, ограничен до керамично тяло в класическия смисъл, или в смисъл, че то се състои изцяло от неметални и неорганични материали, а трябва да се разглежда като термин, отнасящ се до тяло, което е преобла60549 даващо керамично по отношение както на състав, така и на преобладаващи свойства, въпреки че тялото може да съдържа незначителни или големи количества от една или повече метални съставки, извлечени от основния метал или редуцирани от окислителя или от допанта, най-типично в диапазона от 1 до 40 обемни процента, но може да съдържат дори и повече метал.

“Продукт на окислителната реакция” означава главно един или повече метали във всяко окислено състояние, при което металът е отдал или пирел електрони от друг елемент, съединение или комбинация от тях. Следователно един “продукт от окислителна реакция” под тази дефиниция включва продуктът от реакцията на един или повече метали с окислител, като този, описан в настоящата заявка.

“Окислител” означава един или повече подходящи материали, приемащи или отдаващи електрони и може да бъде твърд, течен или газообразен, например твърдо тяло и газ, в условията на процеса.

“Основен метал” се отнася до онзи метал, например алуминий, който е предшественик на поли кристалния продукт от окислителната реакция и включа този метал, като относително чист, търговски наличен метал със съответни включвания и/или легиращи съставки, или като сплав, в която този метал е основната съставка; така че когато даден метал се спомене като основен метал, например алуминий, идентифициращият метал трябва да се третира като се има предвид тази дефиниция, освен ако няма друг контекст.

Примерно изпълнение на изобретението е показано на приложените чертежи в които фигура 1 представлява надлъжен разрез на устройство, съгласно един вариант на настоящото изобретение, включващ сегментен контейнер.

Фигура 1А е надлъжен разрез в увеличен мащаб на част от устройството от фиг.1, по линия А от фиг.1.

Фигура 1в - напречен разрез в увеличен мащаб по линия В-В от фиг.1.

Фигура 1с - поглед в перспектива на един сегмент от сегментния контейнер, показан на фиг. 1-1В в намален мащаб.

Фигура 2 - поглед от горе в намален мащаб на устройството от фиг. 1.

Фигура 3 поглед с частичен надлъжен разрез на едно самоносещо керамично композиционно изделие, получено при използване на устройството от фиг. 1.

Фиг. 4 - частичен схематичен разрез на една от компесационните връзки на сегментния контейнер от фиг. 1-2, представена с нейното - разширение, след термообработка представена с прекъсната линия.

Фиг.5 - разрез съответстващ на този от фиг.4, изобразяващ друг вариант на компенсационна връзка;

Фиг. 6 - поглед в перспектива, изобразяващ друг вариант на сегментен контейнер, съгласно настоящото изобретение.

Фиг. 7 - поглед отгоре на сегментния контейнер съгласно фиг.5 и фиг.6, снабден с екран от неръждаема стомана. На фиг.7 е показано разширението на сегментния контейнер с прекъснати линии след нагряване.

Фиг.1 илюстрира едно устройство 10, съдържащо един сегмент контейнер 12, който по форма е цилиндричен и обхваща три сегмента 12а, 12в, и 12с, които най-добре се виждат на фиг.1 В. Всеки един от сегментите 12а, 12в, и 12с завършва в двойка срещуположни надлъжни ръбове 16а, 16а’, 16в, 16в’, 16с, и 16с’. Сегментният контейнер е перфорирана конструкция, като всеки от сегментите 12а, 12в, и 12с има отвори 14. Отделните сегменти 12а, 12в и 12с са разположени един спрямо друг така, че определят един цилиндричен вътрешен обем на сегментния контейнер 12, вътре в който е разположена маса от проницаем пълнеж 18.

Както най-добре се вижда от фиг.1 В и 2, сегментите (2а, 12в и 12с от сегментния контейнер 12 са разположени зигзагообразно, така както е показано на фиг.1 В, където надлъжните ръбове 16а, 16а’, 16в, 1в’,16с, 16с’на последователните сегменти са радиално изместени спрямо съединения им надлъжен ръб, редувайки се радиално навън и навътре, така че между съседните надлъжни ръбове като 16с и 16а се образуват компенсационни връзки. С други думи съседните надлъжни ръбове са радиално изместени по отношение един на друг.

В илюстрираните варианти сегментните контейнери са цилиндрични по форма и имат три сегмента, на всеки от които принадлежи дъга 120° от окръжността. Очевидно, могат да се запазват по.голям или по-малък брой сегменти. Фиг. 10 е поглед в перспектива са5 мо на сегмента 12в. като са илюстрирани надлъжните ръбове 16в, и 16в’, простиращи се респективно между горния периферен ръб 19в и долния периферен ръб 21 в.

Надлъжните ръбове, дефиниращи съответните показани сегменти, са прави линии, простиращи се успоредно на надлъжната ос на сегтментния контейнер. Видно е, обаче, че и други конфигурации надлъжни ръбове биха могли да се използват, като например спирални или надлъжни ръбове с други кривообразни конфигурации, простиращи се между горните и долни периферни ръбове на контейнера. Освен това не е необходимо сегментният контейнер да бъде с постоянно напречно сечение по дължината си, а може да дефинира конус, сфера, полусфера или друга желана форма. Също така сегментният контейнер не е задължително да бъде цилиндър с кръгло напречно сечение - той може да бъде цилиндър с елипсовидно или друго напречно сечение. Например, страните на цилиндър с квадратно или правоъгълно наперчно сечение биха могли да се състоят от плоски сегменти с образувани между тях компенсационни връзки. Могат да се използват закрепващи средства, непоказани, които да поддържат сегментите на контейнера в определено положение. Например, докато сегментният контейнер се дължи и около него се поставят укрепващите средства 30 съставени от съда 32 и елементите 36, за да се поддържат в определено положение сегментите, последните могат да се обвържат с ленти от органичен полимерен материал, който да изгори при загряването. За поддържане на сегментите може да се използва всеки друг подходящ материал като клинове, дистанционни елементи или монтажни скоби, при условие че тези средства не влияят на желаната посока на периферното разширение на отделните сегменти на сегментния контейнер. Ръбовете на сегментите, т.е. страничните и стъпаловидни ръбове, между които се образуват компенсационните връзки на илюстрираните варианти, обикновено се простират по дължината на сегментния контейнер отгоре надолу.

Тялото - източник на основен метал 20, е с цилиндрична форма с кръгло напречно сечение и има двойка дискообразни уширения

22, 24, оформени по него. В непосредствена близост до тялото 20 се намира тяло - резервоар 26 от същия основен метал, което е разположено над тялото 20. Резервоарът 26 може да е в слой 28 от бариерен материал във вид на частици, който няма да поддържа израстването на поликристалния продукт от окислителната реакция през него при условията на процеса, като например слой от алумоокисни частици с основен метал от алуминиева сплав /10% силиций, 3% магнезий/ в среда от въздух при температура 1250°С. Частиците може да са с всеки подходящ размер, например 90 меша. Така вътре в сегментния контейнер 12 пластът 18 от проницаем пълнеж се простира от дъното на периферния ръб 21 на контейнера 12 до около нивото, дефинирано от равнината X - X на фиг. 1, а пластът 28 от бариерен материал се простира от горното ниво на равнината Х-Х до горния периферен ръб 19 на контейнера 12. По избор, на нивото X X може да се постави физическа преграда, такава като пластина от неръждаема стомана, която да разделя пласта 18 от пълнежен материал от пласта 28 от бариерен материал. Ако се използва такава преграда, то тя трябва да има отвор, за да се позволи преминаването на течен метал от резервоара 26 към металното тяло 20.

На фигури 1, 1в и 2 с 30 най-общо е обозначено едно опорно средство, съставено от цилиндричен съд 32 /фиг.1/ и затворена долна стена 32а и серия от перфорации 34, оформени във вертикалната стена съда. Цилиндричният съд, когато това се изисква, може да е от материал, например керамичен, с коефициент на топлинно разширение идентичен или близък до този на пласта пълнежен материал 18. Цилиндричният съд 32 е с поголям диаметър от този на сегментния контейнер 12 и получаващото се пръстеновидно пространство между външната периферия от сегментния контейнер 12 и вътрешната периферия на цилиндричния съд 32 е запълнено с големи парчета от натрошен керамичен материал 36. В идеалния случай парчетата 36 ще съдържащ материал с коефициент на топлинно разширение идентичен или близък до този на цилиндричния съд 32 и пълнежния пласт 18. Парчетата 36 натрошен керамичен материал са големи и с неправилна форма и големина, за да се осигурява оптимално разстояние между самите тях. По такъв начин един газообразен окислител, като например въздух, има лесен достъп през перфорациите 34, раз6 стоянието между отделните парчета 36 и перфорациите 14 на сегментния контейнер 12 и оттам през пласта 18 от проницаем филтър.

Една облицовка, представляваща на илюстрирания вариант екран от неръждаема стомана с отвори 38 /фиг. 1А и 1 В/ обхваща вътрешността на сегментния контейнер 12 и служи да предотврати от изпадане на малки частици от пълнежа 18 през перфорациите 14 на сегментния контейнер 12.

В един типичен вариант металното тяло 20 от основен метал и резервоарът 26 представляват алуминиев основен метал и пласт от проницаем пълнеж, например този, описан навсякъде по-нататък. Сегментният контейнер 12 може да бъде от никелова или желязна високотемпературна сплав, например ИНКОНЕЛ, ХАСТЕЛОЙ или ИНКОЛОЙ, или неръждаема стомана, или всеки друг подходящ метал или сплав. Обикновено такива сплави имат коефициенти на термично разширение по-големи от тези на пълнежния пласт 18 и на поликристалния керамичен материал, образуван от окисляването на течния основен метал. Системата като тази, илюстрирана на фиг.1 може да се постави в пещ, която е отворена за достъп на атмосферния въздух, така че циркулиращият там въздух представлява газообразен окислител. Системата се загрява до температура над точката на топене, например на основния метал - алуминий, но под точката на топене на продукта от окисляването му с кислорода от въздуха. При загряване до такава висока температура сегментите 12а, 12в и 12с от сегментния контейнер 12 се разширяват много повече от материала от пласта 18.

При загряване на системата голяма част от термичното разширение на сегментите 12а, 12в и 12с се поема, така както е показано на фиг.4, от периферното удължение, илюстрирано с прекъсната линия на фиг.4, както и на фиг.5 и 7, сегментите на сегментния контейнер са показани с плътна линия в състоянието им при околна температура и с прекъсната линия в състоянието им на термично разширени, след като системата е била нагрята до работния диапазон на процеса. Термичното разширение, отбелязано с прекъсната линия на фиг.4, 5 и 7 не е начертано в мащаб и е малко преувеличено за по-голяма яснота на илюстрацията. Съгласно фиг.4 може да се оцени, че илюстрираният вариант позволява поемане на тер мичното разширение на сегментите от периферното разширяване до конфигурацията, обозначена с прекъснати линии, с което се забавя или пречи на радиалното разширение на сегментите, в резултат на което се намалява обемното разширение на сегментния контейнер 12.

При условие че контейнерът във вид на сегментен контейнер има контейнер има компенсационни връзки между сегментите си, се намалява обемното разширение на контейнера при термичното разширение на отделните сегменти. И обратно, ако сегментният контейнер 12 беше осигурен във вид на обикновен несегментен цилиндър, то термичното разширение на контейнера при загряване до повишени температури би довело до увеличаване обема на контейнера, тъй като той би се разширявал радиално навън при загравяне. Посредством сегментите и осигуряването на компенсационна връзка между тях, така както е показано например на фиг.1 В и 4, обемното разширение на контейнера се намалява и следователно образуването на празнини, пукнатини или други дефекти в слоя 18 при загряване се намалява или почти елиминира.

Фигура 5 илюстрира един друг вариант на компенсационна връзка, използваема съгласно настоящото изобретение, при която сегментите 23в и 23с притежават съответните си надлъжни ръбове 25в’ и 25с’, разположени в съседство един с друг, но раздалечени значително повече от съответните надлъжни ръбове 16в’ и 16с’ от варианта на фиг.4. Един удължителен елемент 17, простиращ се надлъжно от сегментите 23в и 23с, се заварява или по някакъв друг начин се присъединява към сегмента 23с, като продължава странично зад негови надлъжен ръб 25с’, завършвайки приблизително периферно напасван с надлъжния ръб 25в. Удължителният елемент 17 служи, за да покрие доста широката периферна връзка, осигурена между надлъжните ръбове 25в и 25с’ и така помага за поддържането на екрана или друг облицовъчен елемент, който може по желание да бъде използван и/или подпомага за поддържането на частиците пълнежен материал вътре в сегментния контейнер 23. При термичното разширение на сегментите на сегментния контейнер 23 сегментите и принадлежащият им удължителен елемент 17 се разширяват, като преминават от състоянието си при околна температура, показано с плътни линии, до това при термичното им разширени, показано с прекъснати линии на фиг.5.

Устройството от фиг.1 се поддържа при подходяща температура за протичане на реакцията достатъчно дълго време необходимо за окисляването на течния основен метал, за да се образува продуктът от окислителната реакция, който инфилтрира и се включва в пълнежа 18, за да се образува желаният керамичен композиционен материал. При изразходването на основния метал той се попълва от основен метал от резервоара 26 и реакцията се продължава обикновено докато израстващият поликристален керамичен материал засегне бариерата, осигурена чрез облицовката, представляваща екрана 38 на сегментния контейнер 12. В този момент температурата се понижава и системата се оставя да се охлади. Сегментният контейнер 12 се изважда от укрепващите средства 30 и след това от него се отделя образуваното керамично тяло 40 /фиг.З/. Керамичното композиционно тяло 40 може да се получи чрез срязване по равнината X - X /фиг.1/ или по равнина малко под равнината X - X, за да се получи цилиндрично керамично композиционно изделие 40 с вътрешност, която инверсно отпечатва формата на основния метал 20. Така керамичното изделие 40 има една централна кухина 20', включваща уголемените камери 22' и 24', които може да са запълнени с повторно втвърден основен метал, ако е било извършено достатъчно запълване с основен метал, което да поддържа тези уширения непрекъснато пълни докато завърши реакцията. По желаните втвърденият основен метал, например алуминий /втвърден/, може да се отстрани от керамичното композиционно изделие 40 чрез пробиване и химическо разяждане, за да се осигури кух отвор, съответстващ на кухината 20', простираща се през тялото и включваща умирените муфи камери 22' и 24'.

На фиг.6 и 7 е показан друг вариант на изобретението, при който сегментният контейнер 42 е съставен от три сегментна 42а, 42в и 42с, всеки един от които има съответните си срещулежащи ръбове 44а, 44а’, 44в, 44в’, 44с, 44с’. На фигура 6 са показани съответните горни припокриващи ръбове 45а, 45в и 45с и съответните долни припокриващи ръбове 47а, 47в и 47с. Долният припокриващ ръб на сегмента 42в не се вижда фигура 6. Сегментът 42а е показан на фигура 6 като перфориран с множество отвори 49, разположени на разстояние един от друг по цялата повърхност на сегмента 42а, въпреки че не всички са показани. Сегментите 42в и 42с са показани като неперфорирани с цел по-голяма яснота на илюстрацията. Ще се разбере, че обикновено всички сегменти на контейнера ще бъдат перфрирани или не с цел да се осигури изцяло перфориран или неперфориран контейнер.

Облицовката 46 обхваща един екран с отвори от неръждаема стомана, обхващащ вътрешността на сегментния контейнер 42. За поголяма яснота на илюстрацията облицовката 46 не е показана на фиг. 6. При този вариант всеки един от сегментите 42а, 42в, и 42с има един страничен или припокриващ участък 48а, 48в и 48с, съответно принадлежащ му и разположен радиално навън от съответния участък от тялото 50а, 50в и 50с, които лежат в една цилиндрична равнина и на илюстрирания вариант са с дъгообразна конфигурация. При свръзката на припокриващите елементи 48а, 48в и 48с с принадлежащите им участъци от тялото 50а, 50в и 50с се образуват рамената 52а, 52в, и 52с, простиращи се радиално между тях. Припокриващите елементи завършват в съответно принадлежащите им надлъжни ръбове 42а, 44в и 44с, съответно в непосредствена близост с надлъжните ръбове 44а’, 44в’ и 44с’ и са разположени радиално навътре от принаделжащите им надлъжни ръбове 44а, 44в и 44с. На варианта, илюстриран на фигури 6 и 7 се вижда, че получаващата се връзка е подобна на тази от фигура 5 с тази разлика, че вместо удължителния елемент 17, който се заварява през всяка компенсационна връзка, тук припокриващите елементи 48 са интегрално оформени с тялото на отделните сегменти, например чрез шамповане.

При илюстрираната конструкция между съседните сегменти са осигурени периферни междинни. Например между рамото 52с и надлъжния ръб 44в се оформя една типична периферна междина, която поема периферното разширение на сегментите 42а, 42в и 42с, така както е показано с прекъсната линия на фигура 7, при което се забавя или значително елиминира обемното разширение на сегментния контейнер 42.

Следващ пример илюстрира един вариант от прилагането на настоящото изобретение:

Пример

Изработено е устройство по принцип на това, показано на фиг.1, при което сегментният контейнер /съответстващ на 12 от фиг. 1/1 съставен от перфориран цилиндър 22 от неръждаема стомана, марка 304, нарязан паралелно на централната надлъжна ос на цилиндъра на три равни по размер сегмента, всеки един от които представляваме дъгообразно тяхно с принадлежаща му дъга 120. Листът от неръждаема ламарина беше с равномерна перфорация, като диаметърът на отворите беше 1,5 мм, и междуцентрово разстояние 25 мм. Усилващи ъглови елементи от неръждаема стомана марка 304 са заварени към външните повърхнини на сегментите, простиращи се надлъжно от сегментите. Сегментите са разположени в конфигурация като тази, илюстрирана на фиг. 1В и 2, за да се осигурят компенсационни връзки между всеки от трите сегмента. Ъгловите усилващи елементи са разположени навън от надлъжните ръбове, дефиниращи компенсационни връзки, така че да не влияят от периферното термично разширение на сегментите. Сегментният контейнер е с вътрешен диаметър приблизително 190 мм.

Цилиндрично тяло от основен метал се поставя вътре в сегментни контейнер коаксиално на надлъжната му ос в пласт от пълнеж /съответно на фиг.1, 18/ от частици Алундум 38/на Нортън компани/ с размер 90 меша, осигурен със силициев добавка така, както е описано по-долу. Резервоар на основен метал /съответно позиция 26 от фиг.1/ беше поставен върху и в непосредствена близост до тялото основен метал и включван в пласт необработен пълнеж също от Алундум 38, 90 меша. С други думи пластът от пълнеж, включващ тялото - резервоар на основен метал, не беше обработен с допант. Всяко от телата основен метал представляваше алуминиева сплав, съдържаща 10 тегловни процента силиций и 3 тегловни процента магнезий, които изпълняваха роля на вътрешни допанти. Сегментният контейнер и неговото съдържание бяха укрепени в опорна конструкция от типа, илюстриран на фиг.1, представляваща външен съд /съответстващ на позиция 32 от фиг.1/ с отворен за въздух /позиция 34 от фиг.1/ с диаметър 0,75 инча, пробити в съда по произволна схема на подреждане. Цилиндричният опорен съд е керамично тяло с приблизително 12 1/2 инча вътрешен диаметър, образуването от алумоокисен огнеупорен материал, като АР Грийнкаст 94, продукт на

АР Грийн Корпорейшън. Пръстеновидното пространство между цилиндричния сегментен контейнер и външния цилиндричен опорен съд беше запълнено с големи парчета керамичният материал, идентичен на този, от който е направен съдът, натрошена в произволни размери и неизпечени.

За облицоване вътрешността на сегментния контейнер се използва екран от неръждаема стомана марка 304 /съответствуващо на позиция 38 от фиг.1/.

Обработване на пълнежа с добавка

Деветдесет и седем тегловни части от частиците Алундум 38 с размер 90 меша са смесени с три тегловни части леярска пръст Нюпорт 1, 88 тегловни процента от която е от частици с големина 100 меша или дори още по-фини. Сместа от частици се хомогенизира в толкова мелница в продължение на 24 часа и след това се загрява в присъствие на въздух от 1250 до 1425°С за 24 часа. Пръста/ пясъкът или кварцът се свърза с алумоокисните частици. Полученият агломериран материал се смесва и се получава материал с фина зърнистост и след това се използва като тяло от проницаем пълнеж.

Образуване на керамичното композиционно изделие.

Гореспомената система бе поставена във вентилационна пещ, за да се осигури циркулация на атмосферен въздух и се загря до 1250°С в продължение на 10 часа, след което системата се задържа при тази температура 1250°С в продължение на 225 часа, след което се охлажда до стайна температура за 30 часа.

Образува се керамично композиционно тяло, представляващо поликристален продукт от окислителната реакция на течната алуминиева сплав с въздуха, включващ пълнежа, обработен с добавката. Полученото керамично композиционно тяло се извежда от системата. Вътрешността на керамичното композиционно тяло се запълва с остатъка от неизчерпания повторно втвърден основен метал. Сегментният контейнер лесно се отделя чрез счупване от повърхността на композиционното тяло поради значителната степен на окисляване и малката якост на контейнера.

Методът съгласно настоящото изобретение се осъществява с устройството, описано по-нататък.

Методът и устройството се осъществява с всяка подходяща комбинация от основен метал, окислител и по желание един или повече добавки, използвани заедно с основния метал. Например, основният метал може да се избере от групата, включваща алуминий, силиций, титан, калай, цирконий и хафтий. За предпочитане е използването като основен метал на алуминий и газообразен окислител, съдържащ кислород. Например, в един вариант на настоящото изобретение окислителят представлява въздух, продуктът от окислителната реакция представлява алумоокис, е температурният диапазон от около 850 до 1450°С. Тъй като е използван по-огнеупорен основен метал, металът, избран за контейнера може да се изисква да бъде по-огнеупорен.

Поликристалният продукт от окислителната реакция има вътрешно-свързани кристалити, обикновено тридименосионни. Освен това, по керамичното тяло има разпръснати метални съставки и/или пори, които могат да бъдат или да не бъдат вътрешно-свързани в зависимост от условията на процеса, основния метал, добавката и т.н.

В практиката на настоящото изобретение процесът се продължава, докато поликристалният продукт от окислителната реакция, образуван при окислияването на основния метал инфилтрира и включи в матрицата се пълнежния материал до желаната степен, което може да се контролира чрез израстване на поликристалния материал, контактуващ с вътрешната повърхност на сегментния контейнер или облицовката му. Сегментният контейнер или облицовката му ще служи като бариера за понататъшното израстване на поликристалния керамичен материал и по такъв начин могат да се използват като бариера, която служи, за да определи очертанията на външната повърхност на керамичния композиционен материал.

В някои варианти на настоящото изобретение масата от проницаем пълнеж се напасва към съответно оформен основен метал, който е поставен в пълнежа, така че получаващото се керамично композиционно тяло оформя в пълнежния слой негативна матрица или една или повече кухини, които инверсно отпечатват формата или геометрията на тялото от основен метал. Например фасонният основен метал може да бъде изцяло включен вътре в масата от проницаем пълнеж, така както е опи сано в /4/. При окисляването на течния основен метал и инфилтрирането на заобикалящия пласт пълнежен материал с образувания продукт от окислителната реакция се получава керамично композиционно тяло с оформена кухина,. Получената кухина съответно отпечатва формата на тялото от основен метал или матрица, първоначално поставено вътре в пълнежа. В такъв случай, тъй като напречно на получаващата се черупка от продукт от окислителната реакция вътре в пълнежа възниква разлика в налаганията, проницаемият пълнеж или поне една носеща зона от такъв пълнеж, непосредствено до включения в пълнежа фасонен основен метал трябва да може да се синтерова или по друг начин да се слепи при подходящ температурен интервал. Такова самослепване служи, за да осигури механична якост по време на началния етап на израстване, достатъчна, за да не се допусне разрушаване на създадената черупка от продукта от окислителната реакция поради възникналата разлика в наляганията. След като дебелината на слоя от растящия продукт стане достатъчно голяма, той вече е достатъчно устойчив на действието на силите, породени от разликата в наляганията.

Както е описано в /6/, една част от тялото от основен метал може да бъде оформена с определена конфигурация и така оформеният участък да се включи в масата от проницаем пълнеж, а частта от тялото, която няма да се отпечатва, остава свободна от пълнеж. В такъв случай при придвижването на течния основен метал не се оформя изцяло затворена от заобикалящата я среда кухина, тъй като растящият продукт от окислителната реакция инфилтрира и включва в матрицата си пълнежа. Следователно тук възникваща разлика в наляганията не представлява проблем и самосвързващия се пълнеж не е задължителен, но въпреки това по желание може да се използва и такъв.

Би трябвало да се посочи, че специална форма или конфигурация на тялото от основен метал не е необходима, за да бъде изцяло или част от него съответно отпечатана в проницаемия пълнеж.п Например тяло от основен метал формата на което не е от значение, може просто да е постави върху слоя проницаем пълнеж и да се разтопи или известно количество от течни основен метал може да се постави в контакт с пласта от пълнежа, така че образуваният продукт от окислителната реакция инфлитрира и включва в матрицата си пълнежа.

Основният метал може да съдържа един или повече детайли , а може и да бъде обикновен цилиндър, прът, слитък, или пък да бъде подходящо оформен чрез всеки познат метод, например чрез механична обработка, отличаване, екструдиране, и т.н. Така образуваната в керамичното композиционно тяло кухина или негативен отпечатък ще бъде запълнена с основен метал, който се втвърдява повторно, след като конструкцията се остави да се охлади след процеса. По желание повторно втвърденият основен метал може да се отстрани от кухината или от негативния отпечатък, така както е описано по-долу. Получаващата се фасонна керамична композиция съдържа по такъв начин пълнеж, включен в матрицата на поликристалния керамичен продукт.

Самата керамична матрица по желание може да включва една или повече неокислени съставки на основния метал или кухини, или двете и да има повърхностни очертания с предварително избрана форма, взависимост от конфигурацията на контейнера, вътре в който е разположен пълнежният материал. Неокислените съставки от основния метал, нарочно разпръснати по керамичната матрица не трябва да се смесва или бъркат с по-голяма маса повторно втвърден основен метал останал в негативната форма или кухината, образувана в пласта пълнеж при поставянето на тялото от основен метал.

Въпреки че изобретението е описано подробно при използване на алуминия като основен метал, то без да се ограничава изобретението могат да се използват други подходящи материали, отговарящи на критериите на изобретението като силиций, титан, калай , пироконий и хафний. Например, някои варианти на изобретението включват случай, когато алуминият е основен метал, алфа-алумоокис или алуминиев нитрид са продукти от окислителната реакция; титан като основен метал и титанов нитрид и титанов борит са продукт от окислителната реакция; силиций като основен метал и силициев карбид, силициев борид или силициев нитрид като продукт от окислителната реакция.

Може да се използва твърд, течен или газообразен окислител, както и комбинация от тях. Типични газоообразни окислители, без това да се стича като ограничение, включват кислород, азот, халоген, сяра, фосфор, арсеник, въглерод, бор, селен, телур и/или съединения и комбинации от тях, например силициев двуокис /като източник на кислород/, метан, етан, пропан, ацетилен, етилен и пропилея /като източници на въглерод/ и смеси като въздух, Н₂/ Н₂0 и С0/СО₂, последните две, използвани за намаляване на кислородната активност на средата. Следователно керамичната композиция съгласно изобретението, може да включва продукта от окислителната реакция, представляващ един или повече окиси, нитриди, карбиди, бориди, и оксинитриди. По-специално, продуктът от окислителната реакция може да бъде, например, един или повече алуминиеви окиси алуминиев нитрид, силициев карбид, силициев борид, алуминиев борид, титанов нитрид, циркониев нитрид, титанов борид, циркониев борид, силициев нитрид, хафниев борид и калаен окис.

Въпреки че може да се използва всеки подходящ окислител, специфични варианти на изобретението са описани по-долу, като се използва газообразни окислители. Ако се използва газ или пари, т.е. газообразен окислител, пълнежът трябва да е проницаем за окислителя, така че последният да може да прониква и преминава през пълнежа за да контактува с течния основен метал вътре в пълнежа. Например кислородът или газова смес, съдържаща кислород, включително въздух, са предпочитани газообразни окислители, както в случая, когато алуминият е основният метал; въздухът е най-предпочитаният окислител, поради съображения от гледна точка на икономичност. Когато един изобразен окислител се индетифицира като съдържащ даден газ или пари, то това означава окислител, в който идентифицираните газ или пари са единственият, преобладаващият или поне значителният окислител на основния метал при използваната окислителна среда. Например, въпреки че основната съставка на въздух е азотът, кислородът във въздуха е единственият или преобладаващият окислител на основния метал, тъй като кислородът е значително по-силен окислител от азота. Въздухът, следователно, попада в дефиницията за “кислород-съдържащ газов” окислител, а не в дефиницията на “азотсъдържаща газов” окислител. Пример за азото-съдържащ газов окислител е “формовъчният газ”, който съдържа 96 обемни процента азот и 4 обемни процента водород.

Когато се използва твърд окислител, той обикновено се диспергира по целия пласт от пълнежен материал, или по част от него, намираща се в близост до основния метал. Използва се във вид на частици, смесени с материала на пълнежа или дори като покритие върху пълнежните частици. Може да се използва всеки подходящ твърд окислител, включващ елементи като бор или редуцируеми съединения, като например силициев двуокис или някои бориди с по-ниска термодинамично стабилност от боридния продукт от окислителната реакция на основния метал, например когато като твърд окислител се използва бор или редуцируем борид за основен метал алуминия, получаващият се продукт от окислителната реакция с алуминиев борид.

В някои случай окислителната реакция може да протече толкова бързо с твърд окислител, че продуктът от окислителната реакция може да прояви тенденция към стапяне поради екзотермичната същност на процеса. Това може да разруши микроструктурната цялост на керамичното тяло. Такава бърза екзотермична реакция може да се предотврати чрез добавяне в състава на сравнително инертни пълнежи, които проявяват ниска реактивност.Такива пълнежи поглъщат топлината, отделена от реакцията. Такъв подходящ инертен пълнеж, е този, който е идентичен за продукта от окислителната реакция-.

АКо се използва течен окислител, целият пласт пътнежен материал или частта от него, намираща се в близост с основния метал, се потапя в окислителя, за да се пропие пълнежът. Течен окислител е такъв, който е течен в условията на процеса, така че един течен окислител може да има твърд предшественик, например сол, която се стапя в условията на окислителната реакция. Алтернативно течният окислител може да има течен предшественик, например разтвор на материал, който се използва, за да се импрегнира част или целият пълнеж и който се втечнява или разлага в условията на реакцията, за да се осигури подходяща окислителна среда. Примери за течни окислители, така както са дефинирани тук, са стъкла с ниска точка на топене. Ако се използва течен или твърд окислител, но не газообразен, тогава сегментнитя контейнер и опорната конструкция, използвана с него, може да не е перфорирана целяща да пропуска през себе си газообразния окислител.

Един окислител, който е течен или твърд в условията на процеса, може да се използва заедно с газообразен окислител. Такива допълнителни окислители може да са особено полезни за ускоряване на окисляването на основният метал, особено в пълнежния пласт вместо зад граничните му повърхнини. С други думи, използването на такива допълнителни окислители може да създаде вътре в пълнежа среда, по-благоприятна за кинетиката на окисляването на основния метал от тази навън пълнежа. Тази стимулирана среда е изгодна за подсилване развитието на матрицата вътре в пълнежа към неговите граници и за свеждане до минимум на прекомерното израстващи.

Пълнежът, използван в практиката според настоящото изобретение може да бъде един или повече от голямото разнообразие материали, подходящи за целта. Пълнежът може да е насипен пълнеж, който термин, така както е употребен тук означава, че пълнежът е такъв, който може да се постави вътре в контейнера и който ще се напасва към вътрешната конфигурация на контейнера. Един насипен пълнеж може също да се напасва към тялото източник на основен метал, включено в него или поставено така, че да се напасва към пълнежа, така както е описано по-горе. Например, ако пълнежът представлява фини зрънца от огнеупорен метален окис като алумоокис пълнежът се напасва към вътрешната конфигурация на контейнера или обхващащият елемент, в който е поставен. За да бъде един пълнеж конформируем, не е задължително обаче той да е във вид на частици. Например пълнежът може да представлява влакна като вата от стоманени нишки. Пълнежът също така може да представлява комбинация от една или две такива форми като зърна и влакна. За да бъде пълнежът насипен, е необходимо само физическата му конфигурация да е такава, че да позволи на пълнежа да запълни дадения обем и да се напасва към конфигурацията на вътрешната повърхност на контейнера, в който е поставен. Такъв насипен пълнеж също така ще се напасва към повърхнините на тялото от основен метал или части от него, които са пос12 тавени в или са в близост до масата на пълнеж. Може да се използва всяка подходяща форма или комбинации от форми за пълнежа като едно или повече кухи тела, частици, прах, влакна, власинки, сфери, стоманена вата, агломерати, тел, прътове, плочици, тръбички и смеси от тях. Подходящи материали за керамични пълнежи са метални окиси, карбиди, нитриди и бориди, като алумоокис, силициев карбид, титанов окис, хафниев окис, циркониев окис, титанов борид и алуминиев нитрид.

Така както беше описано в /1/ и /2/, за ускоряване израстването на продукта от окислителната реакция от течния основен метал могат да се използват една или повече подходящи добавки. Една или повече добавки могат да легират основния метал /1 /или една или повече добавки или техни източници, като окиси на добавките, могат да се положат външно към повърхността на формата от основен метал или в непосредствена близост до него /2/. Алтернативно или освен това в онези случаи, в които растящият продукт от окислителната реакция се инфилтрира в пълнежа /както е на варианта, илюстриран на фигури 1- 2/, в самия материал на пълнеж могат да се внесат една или повече добавки или самият пълнеж може да съдържа добавки. В комбинация могат да се използват две или три от горните способи. Добавка, използвана заедно с основния метал означава всеки един от горните начини или комбинация от тях. Подходящи добавки са магнезий, цинк, силиций, германий, калай, олово, бор, натрий, литий, калций, фосфор, нитрий и редкоземни елементи.Редките метали за предпочитане се избират от групата, съдържаща лантан, церий, празеодим, неодим и самарий. Например комбинацията от магнезиеви и силициеви добавки, че са особено ефективни, когато се използват заедно с основен метал алуминий и въздух като окислител.

Керамичната композиция структури, получени чрез метода на настоящото изобретение са обикновено плътна еднородна маса, на която между около 5 до 98 обемни процента от общия обем на композиционната структура са съставени от един или повече пълнежни компоненти, включени в поликристалната матрица. Поликристалната матрица в случаите когато основният метал е алуминий, а окислителят - кислород включва от около 60 до 98 тегловни процента от теглото на поликристалния материал от вътрешно-свързан алфа-алумоокис и около 1 до 40 тегловни процента неокислени съставки на основния метал.

Патентни претенции

Claims (18)

1. Метод за получаване на керамични композиционни изделия, чрез нагряване на основен метал в окислителна атмосфера до образуване на тяло от течен основен метал, което контактува с пълнежна маса и образуване на продукт от окислителните реакции като температурата е в граници над точката на топене на основния метал и под точките на топене на всеки продукт от окислителната реакция, при което продуктите на окислителните реакции непрекъснато инфилтрират в порьозната пълнежна маса до пълното образуване на композиционната керамична структура на крайно изделие, характеризиращ се с това, че преди нагряването тялото от основен метал и пълнежната маса около него се поставят в сегментен метал и пълнежната маса около него се поставят в сегментен контейнер, в който е на лице поне една компенсационна връзка за температурни разширения чрез деформация в периферно направление при условията на процеса.

2. Метод, съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че като основен метал се използва алуминий, а като окислителна среда - въздух.

3. Метод, съгласно претенция 2, характеризиращ се с това, че температурата се поддържа в границите между 850°С и 1450°С.

4. Метод, съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че като основен метал може да е алуминий, силиций, титан, калай, цирконий и хафний, поотделно или в комбинация помежду им.

5. Метод, съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че за ускоряване на процеса на окислителните реакции се използва поне една добавка.

6. Устройство за получаване на керамични композиционни изделия, включващо сегментен контейнер, в който около тяло от основен метал е разположена порьозна пълнежна маса характеризиращо се с това, че споменатият сегментен контейнер /12/ е съставен от един или повече сегменти /12а,12в и 12с/ с коефициент на термично разширение по-голям от този на материала на пълнежа /18/, като отделните сегменти са оформени така, че образуват помежду си една или повече компенсационни връзки за поемане на термичното разширение на сегментите чрез периферно разширение.

7. Устройство, съгласно претенция 6, характеризиращо се с това, че контейнерът /12/ е перфориран с отвори /14/.

8. Устройство, съгласно претенция 6, характеризиращо се с това, че сегментният контейнер /12/ включва един или повече сегмента / 12а, 12в и 12с/, които са ориентирани около една обща ос и са разположени по цилиндрична повърхнина, при което съответните двойки надлъжни ръбове /16а - 16а’, 16в - 16в’, 16с - 16с’/, определят съответно поне една от компенсационни връзки / 16а - 16с, 16а’ - 16в’, 16в - 16с’/, осигуряват периферен луфт между съседните сегменти.

9. Устройство, съгласно претенция 8, характеризиращо се с това, че един от надлъжните ръбове на двойките ръбове /16а - 16а’, 16в - 16в’, 16с - 16с’/ е радиално изместен по отношение на другия.

10. Устройство, съгласно претенция 9, характеризиращо се с това, че изместеният надължен ръб е изместен радиално навън от цилиндричната равнина.

11. Устройство, съгласно претенция 9, характеризиращо се с това, че сегменти представляват част от тяло с противолежащи надлъжни ръбове и поне един надлъжен припокриващ израстък, който е свързан към споменатата част от тялото чрез радиално простиращо се тяло и е радиално изместен от споменатата част от тяло, като се простира периферно от него зад рамото и завършва в надлъжен ръб, който е радиално изместен от споменатата част от тяло, съдържаща изместения надлъжен ръб, с което се осигурява периферен луфт между рамото и изместен надлъжен ръб, който се на- мира в непосредствена близост до надлъжния ръб на съседния сегмент, така че да поеме поне част от термичното разширение на сегментите в периферния луфт.

5

12. Устройство, съгласно претенция 11, характеризиращо се с това, че припокриващият израстък е радиално изместен навън от сегмента, като надлъжният ръб, в който завършва припокриващият израстък, обхваща 10 един насочен радиално навън надлъжен ръб.

13. Устройство, съгласно която и да е от предидущите претенции, характеризиращо се с това, че споменатият сегментен контейнер е изпълнен от метална сплав, избрана от групата, съдържащи термоустойчиви никелови и железни сплави.

14. Устройство, съгласно претенция 1, характеризиращо се с това, че споменатата метална сплав се избира от групата, съдържаща неръждаема стомана.

15. Устройство, съгласно всяка една от претенции от 6 до 12, характеризиращо се с това, че сегментния контейнер включва надлъжни сегменти от една цилиндрична втулка.

16. Устройство, съгласно която и да е от претенции 6-12, характеризиращо се с това, че включва перфориран цилиндър, обхващащ споменатия сегментен контейнер.

17. Устройство, съгласно която и да е от претенции от 6 до 12, характеризиращо се с това, че включва още опорно средство, разположено външно на споменатия контейнер и е във връзка със споменатия сегментен контейнер.

18. Устройство, съгласно претенция 17, характеризиращо се с това, че споменатото опорно средство представлява перфориран съд, обхващащ споменатия сегментен контейнер.