BG60552B1

BG60552B1 - Метод за получаване на керамично композиционно тяло с канали за флуид

Info

Publication number: BG60552B1
Application number: BG85186A
Authority: BG
Inventors: Ratnesh Dwivedi
Original assignee: Lanxide Technology Company, Lp
Priority date: 1987-08-10
Filing date: 1988-08-09
Publication date: 1995-08-28
Also published as: ATE87895T1; CS276740B6; DE3880045D1; YU151588A; BR8803930A; RO102360B1; TR23999A; NZ225737A; EP0303552B1; YU47199B; PT88228A; DK444888D0; RU1838280C; IL87311A; IE882423L; AU2052688A; PL157542B1; PT88228B; PH25600A; NO883412L

Abstract

По метода се получават керамични композиционни тела с множество обемни стенни елементи, като всеки стенен елемент има определено напречно сечение за образуване на непрекъснати канали за флуиди. Стенните елементи представляват обратен образ на фигурата на матрицата. Всеки от аксиално разположените елементи се състои от керамична матрица от пълнеженматериал и се получава чрез окисляване на основния метал до образуване на поликристален материал, който съдържа предимно продукта на окисляването на основния метал с окислител и евентуално един или повече метали, т.е. Неокислени частици на основния метал. </P>

Description

Изобретението се отнася до метод за получаване на керамично композиционно тяло с канали за флуид, който намира приложение за изработване на топлообменници за промишлеността.

Известни са композиционни керамични изделия и методи за производство на същите. В (1) е описан метод за производство на неармирана, самоносеща керамична композиция посредством израстване на продукт от окислителна реакция на основен метал в проницаема маса или пълнеж. Получаващата се в резултат на това композиция обаче няма очертана или предварително определена конфигурация.

Известни са нови керамични материали и методи за производство на същите. В (2) е описан метод за производство на неармирани, самоносещи керамични тела, израстнали като продукт на окислителна реакция от основен метал предшественик. Течен основен метал реагира с окислител в газова фаза, за да се образува продукт от окислителната реакция. Металът преминава през продукта от окислителната реакция към окислителя, при което непрекъснато от продукта от окислителната реакция се образува поликристалинно керамично тяло. Обикновено в поликристалинните керамични тела кристалитите на продукта от окислителната реакция са вътрешно свързани в повече от една дименсия, за предпочитане тридименсионно. Когато процесът не се продължи до изразходването на основния метал, полученото керамично тяло е плътно и главно без пори и кухини. По желание, керамичното тяло може да се произведе така, че да притежава керамични компоненти и/или пори, които могат да бъдат или да не бъдат вътрешно взаимосвързани. Процесът може да се ускори посредством използването на легиращ материал, когато алуминия е основен метал, окисляван в среда от въздух.

Известни са методи за производство на неармирани самоносещи керамични материали, съгласно които към повърхността на основния метал се полагат външно легиращи материали (3).

Известен е метод за производство на керамични композиционни изделия чрез съответно отпечатване и изделия, произведени по този метод. При този метод се образуват керамични композиционни структури, съдържащи поликристалинна керамична матрица, включваща пълнеж и притежаваща една или повече празнини, съответстващи на формата на оформения основен метал (4).

Известни са фасонни керамични композиции и методи за производство на същите. Съгласно тези методи керамичните композиционни структури с предварително избрана форма или геометрия се получават посредством използване на фасонна матрица от проницаем пълнежен материал, в която израства керамичната маса от окисляването на основен метал (5).

Известен е и метод за производство на фасонни керамични композиции с използването на бариера. Бариерният материал спира или забавя израстването на продукта от окислителната реакция при определена гранична повърхност така, че се копира формата или геометрията на керамичната композиционна структура (6).

За постигане на формата на произведените керамични композиционни тела съгласно известните методи върху самите тях се прилага механична обработка.

Задача на изобретението е да се създаде метод за получаване на керамично композиционно тяло с канали за флуид, при който механичната обработка за постигане формата на крайното керамично тяло се извършва предварително върху матрицата от основен метал, което поевтинява значително изделието.

Задачата се решава чрез метод за получаване на керамично композиционно тяло с канали за флуид, при който се получава неармирано керамично композиционно тяло с множество стенни елементи, всеки от които е с определено напречно сечение за образуване на непрекъснати канали за преминаване на флуид.

Стенните елементи съответно са отпечатани очертанията на една позитивна матрица. Всеки един от стенните елементи, които са аксиално разположени, съдържа керамична матрица с включен в състава й пълнежен материал и е образуван от окисляването на основен метал до образуване на поликристалинен материал, който изключва продукта от окислителната реакция на основния метал с окислител, и по желание един или повече метали, например неокислени съставки от основния метал.

Методът се състои в следното. Основният метал е формован така, че да се осигури цилиндрична матрица, притежаваща поне една открита кухина или отвор, така че да се оформят стени със срещуположни повърхности, т.е. вътрешната стена на кухината и външната стена. Дебелината на стената, която е предварително определена при формоването на металната матрица, определя пространството между стенните елементи и крайния продукт. Върху двете повърхнини на цилиндричната форма се поставя пълнежен материал. Слоят на пълнежния материал може да бъде поставен върху цялата повърхност на всяка стена или само върху предварително определен участък, като покритата зона образува участъка от стените на елементите в крайния композиционен продукт. Пълнежният материал (1) е проницаем спрямо окислителя, когато се изисква, както е в случая, когато окислителят е газообразен, и във всички случаи е проницаем за инфилтрацията от развиващия се продукт от окислителната реакция, и (2) е достатъчно приспособим в температурния интервал на загряването, за да може да поеме разликата в термичното разширяване между слоя пълнежен материал и основния метал, плюс промяната на обема на метала в точката му на топене. Всеки пласт от пълнежен материал, поне в опорните зони, разположени вътрешно на стената на кухината и навън по отношение на външната стена така, че да обвие формата, е естествено самосвързващ се при температура над точката на топене на топене на основния метал, но под и за предпочитане почти до температурата на окислителната реакция, при което пластовете пълнежен материал имат достатъчно сцепление, за да поддържат съответната форма на матрицата от основен метал вътре в слоя пълнежен материал при придвижването на основния метал.

Формованият основен метал с поставения до него пълнежен слой се загрява до температура над точката му на топене, но под точката на топене на продукта от окислителната реакция, като образува тяло от течен метал, който реагира при този температурен интервал с окислителя, за да образува про дукт от окислителната реакция. Поне една част от продукта от окислителната реакция при тази температура се поддържа в контакт с и е между тялото от течен метал и окислителя, при което течният метал непрекъснато се извлича от тялото течен метал през продукта от окислителната реакция, за да продължава образуване на продукт от окислителната реакция на граничната повърхност между окислителя и образувания преди това продукт от окислителната реакция. Тази реакция се продължава в този температурен интервал достатъчно дълго време, за да се инфилтрират поне частично пласта с продукта от окислителната реакция чрез израстването на последния, при което едновременно с това се оформят отделни стенни елементи, всеки с определено напречно сечение, които образуват канали, запълнени преди това с метал и един централен канал, ограничен от най-вътрешния стенен елемент. Така продуктът от окислителната реакция расте в противоположни посоки вътре в слоевете пълнеж, а придвижването и преобразуването на метала води до образуване на керамична матрица, инверсно възпроизвеждаща в обратни посоки участък от металната матрица, с което се образуват и каналите за флуида. Каналът между стенните елементи е копие на формата на основния метал. Получаващото се в резултат на това композиционно тяло се отделя от излишния пълнеж, ако има такъв, и така полученото тяло представлява многостенно цилиндрично керамично композиционно тяло с надлъжен канал преминаващ между стенните елементи и един централен канал. Стенните елементи са аксиално разположени, като за предпочитане са коаксиални, така че стените са концентрични.

Пълнежният материал съдържа зона, която се самосвързва само при температура над точката на топене на основния метал, но под и достатъчно близко до температурата на взаимодействие между стопения основен метал и окислителя. Като компонент в пълнежа може да се включи свързващ или синтероващ агент в онези случаи, в които пълнежът по друг начин не би имал достатъчна възможност за свързване или синтероване, за да предотврати разрушаването на пространството, оформено в обема, заеман преди това от матрицата. Този свързващ агент може да се разпръсне в пълнежа или в опорната зона. Подходящи матери3 али за тази цел са органометални съединения, които в необходимите условия за образуване на продукт от окислителната реакция поне частично ще се разградят и свързват пълнежа достатъчно, за да се осигури необходимата механична якост. Свързващият агент не трябва да влияе на процеса на окислителната реакция или да оставя нежелани отпадъчни продукти в състава на керамичния композиционен продукт. Свързващ агент може да бъде тетраетил ортосиликат, който е подходящ органо-метален свързващ агент и при температура на окислителната реакция осигурява силикатна среда, която ефективно свързва пълнежа с необходимата механична якост.

Когато тялото от основен метал се оформи като цилиндър и в кухината има един надлъжен отвор, получените множество аксиално разположени и раздалечени една от друга стени са концентрични. Например, парче метал като тръба или друг подобен елемент с надлъжен отвор, изцяло преминаващ през него, така че се образува цилиндър, може да се обработи механично, така че да му се придаде необходимата форма, да се отлее, формова или екструдира, с цел да се осигури фасонната матрица. Основният метал, оформен като матрица, може да има жлебове, отвори, отвърстия, вдлъбнатини, фланци или други подобни, които да представляват опорни елементи за керамичната композиция, така както е обяснено по-нататък е подробности. Матрицата от основен метал може да има подходящо определено напречно сечение, вариращо от кръгло до многоъгълно, както беше казано по-горе. Независимо от формата на основния метал, по повърхността на стените на матрицата се поставя пълнежен материал, включително кухината или вътрешната стена и външната стена, а за предпочитане е повърхнините на стените да са успоредни, така че с това се оформя канал за преминаване на флуида с еднакво напречно сечение. Целесъобразно е кухината да се запълни с напасващ се пълнежен материал, който след това се включва в друг слой от материал, съдържащ се в огнеупорен съд/тигел. Двата пълнежни материала може да са едни и същи или различни по състав, марка, чистота или структура. По такъв начин матрицата определя една оформена кухина вътре в напластения пълнежен материал и заема кухината вътре в тази маса от пълнеж. Когато основният метал, заемащ пространството, се топи и окислява и преминава извън запълненото пространство в противоположни посоки, се образуват множество от керамични стени, с определено напречно сечение и аксиално разположени, при което се образува очертано пространство вътре в резултантното керамично композиционно тяло, които съответстват на формата на оригиналното тяло от основен метал, оформено като матрица. Така, дебелината на стената на матрицата от основен метал може да определи напречната ширина на пространството между стенните елементи. Полученото керамично композиционно тяло има фактически геометричната конфигурация на оригиналната матрица съобразно точката на топене и диференциалните обемни изменения при термичното разширение на основния метал по време на процеса при оформеното и охлаждането на композиционното тяло.

Съгласно метода, пълнежният материал се напластява в най-малко един отвор на стената на формования основен метал, а заедно с основния метал се използва добавка. Използването на добавки заедно с основния метал влияе благоприятно върху процеса на окислителната реакция, особено в системи, използващи алуминий като основен материал. Добавката или добавките, използвани заедно с основния метал, могат да се осигурят като:

(1) легиращи съставки на основния метал; (2) може да се положат към поне част от повърхността на основния метал или (3) могат да се положат към или включат в част или в целия пълнежен материал или матрица, или може да се използва каквато и да е комбинация от два или повече от методите 1, 2 и 3. Например, легираща добавка може да се използва сама или в комбинация с втора външно положена добавка. В случая на методиката (3), където допълнителна добавка или добавки се полагат към пълнежния материал, полагането може да се осъществи по всякакъв подходящ начин.

Действието на дадена добавка може да зависи от редица фактори. Тези фактори включват например специфичността на основния метал, специфичната комбинация от добавки, когато са използвани две или повече. Използването на външно положена добавка в комбинация с добавка, легирана в състава на основния метал, концентрацията на използваната добавка, окислителната среда и усло4 вията на процеса.

Добавки, които се използват при основен метал алуминий и особено когато въздух е окислител, са магнезий, цинк и силиций, самостоятелно или в комбинация с други добавки. Тези метали или подходящ техен източник може да легират алуминия в концентрации за всеки един от тях между 0,1 до 10 тегловни %, спрямо общото тегло на получаващия се легиран с добавката материал. Тези добавки или подходящи техни източници /например магнезиев окис, цинков окис или силициев двуокис/ може да се полагат външно към основния метал. Така една алумоокисна керамична структура може да се получи от алуминиевосилициев основен метал и въздух като окислител, като се използва магнезиев окис като добавка, положена към металната повърхност в количество, по-голямо от 0,0008 г магнезий за г основен метал, който ще се окислява и по-голямо от 0,003 г магнезий за см² от основния метал, към който се полага магнезиевият окис.

Други легиращи добавки са натрий, германий, калай, олово, литий, калций, бор, фосфор и итрий, които могат да се използват самостоятелно или в комбинация с други добавки, една или повече, в зависимост от окислителя и условията на процеса. Редкоземни елементи като лантан, празеодим, неодим и самарий са също подходящи и то отново, особено когато се използват в комбинация с други добавки. Тези материали подпомагат израстването на поликристалинния продукт от окислителната реакция в случаи, когато алуминият е основен метал.

Продуктът на окислителната реакция инфилтрира пълнежния материал в отвора, при което се образува ребро, интегрално свързано с раздалечените една от друга стени.

Може да се използва твърд, течен или газообразен окислител или комбинация от окислители в тези състояния. Например, някои типични окислители са кислород, азот, халоген, сяра, фосфор, арсен, въглерод, бор, селен, телур, както и техни съединения и комбинации, например кварц /като източник на кислород/ , метан, етан, пропан, ацетилен, етилен и пропилея /като източник на въглерод/ и смеси като въздух, Н₂/Н₂О и СО/СО₂- последните два се използват за намаляване на кислородната активност на средата. В зависимост от използвания окислител, получаващият се керамичен продукт може да съдържа окис, карбид, нитрид или борид.

Въпреки че може да се използва всеки подходящ окислител, предпочита се окислител в газова фаза /газ/. Ако се използва газообразен окислител, пълнежът е проницаем по отношение на този окислител, така че при излагане на пълнежния слой на въздействието на окислителя, последният прониква в него, за да влезе в контакт с намиращия се в пълнежа течен основен метал. Терминът “окислител в газова фаза” означава изпарен или нормално газообразен материал, който осигурява окислителна атмосфера. Например, кислород или газови смеси, съдържащи кислород /включително въздух/, са предпочитани газообразни окислители, както е в случая, при който алуминият е основния метал, използван заедно с добавка. Въздухът обикновено е предпочитания окислител поради очевидни икономически съображения. Когато даден окислител се дефинира като съдържащ даден газ, това означава окислител, в който дефинираният газ е единствения, преобладаващия или поне достатъчен окислител на основния метал в условията на използваната окислителна атмосфера. Например, въпреки че основната съставка на въздуха е азотът, кислородът, съдържащ се във въздуха, е окислителя на основния метал, тъй като кислородът е значително по-силен окислител от азота. Следователно, въздухът попада в дефиницията на “кислород-съдържащ” газов окислител, а не в дефиницията “азот-съдържащ” газов окислител. Пример за азот, съдържащ газов окислител, е “формовъчния газ”, който съдържа 96 обемни % азот и 4 обемни % водород.

Когато се използва твърд окислител, той обикновено се разпръсква по целия пълнежен слой или по част от слоя, намираща се в близост до основния метал, като е във вид на частици или прах, примесени с пълнежа или дори като покритие по пълнежните частици. Може да се използва всеки подходящ твърд окислител, включително елементи като бор или въглерод, или редуцируеми съединения като кордиерит, силициев двуокис, или някои бориди с термодинамична стабилност, по-ниска от тази на боридния продукт от окислителната реакция на основния метал. Например, когато като твърд окислител е използван бор или редуцируем борид за окисляването на алуминиев основен метал, получаващият се в резултат на реакцията продукт е алуминиев борид. Ако титан е основният метал, А1В₁₀ е подходящ твърд окислител, а продуктът съдържа титанов диборид.

В някои случаи окислителната реакция може да протече толкова бързо с твърд окислител, че продуктът от нея проявява склонност да се стапя поради екзотермичното естество на процеса. Това обстоятелство може да разруши микроструктурната хомогенност на керамичното тяло. Този бърз екзотермичен процес може да се предотврати чрез внасяне в композицията на относително инертни пълнежни материали, които притежават ниска реактивност. Такива пълнежи абсорбират топлината от реакцията и свеждат до минимум термичния ефект. Пример за такъв инертен пълнеж е пълнеж, който по същество е същия като получавания продукт от окислителната реакция.

Ако се използва течен окислител, целият пълнежен слой или част от него, намиращ се в съседство с течния метал, може да покрие или пропие чрез потапяне и последващо изсушаване с окислител, за да се импрегнира пълнежът. Течен окислител е този, който е течен в условията на окислителната реакция. Така че един течен окислител може да има и твърд предшественик, който се стапя в условията на реакцията. Алтернативно, течният окислител може да бъде течност или разтвор, който се използва, за да пропие част или целия пълнеж и който се стапя или разгражда при условията на окислителната реакция, като осигурява подходяща окислителна среда. Примери за течни окислители, така както са дефинирани тук, са смоли с ниска точка на топене.

Основният метал се подбира от групата, която включва металите алуминий, силиций, титан, калай, цирконий и хафний.

Ако пълнежът представлява материал на частици с фини размери от огнеупорен метален окис, матрицата се обхваща от пълнежа така, че се образува една запълнена кухина / запълнена с пълнеж или заемана от матрицата/. Не е необходимо обаче пълнежът да е във вид на частици, а може да включва например влакънца, нишки, прах или други подобни. Пълнежът може също така да представлява хетерогенна или хомогенна комбинация от два или повече такива компонента или геометрични конфигурации, например комбинация от малки частици и влакна. Физическата конфигурация на пълнежа позволява матрицата от основен метал да бъде включена във или обхваната от масата пълнежен материал, като пълнежът плътно заема геометричната конфигурация на повърхността на матрицата. Формата от основен метал се нарича “матрица”, защото пространството, оформено в композицията е негативен отпечатък на формата на матрицата. Така матрицата първоначално заема /запълнено/ пространство вътре във или между слоевете от пълнежа, като пространството първоначално е оформено и запълнено от матрицата. Подходящи пълнежни материали са например окиси: карбиди, нитриди и бориди, като алумоокис, циркониев окис, титаниев борид, силициев карбид, алуминиев нитрид и титаниев нитрид или бинарни, трикомпонентни или други съединения на метални окиси от по-висок порядък като шпинели, например магнезиевоалуминатен шпинел.

Приспособим пълнеж, прилаган в практиката на изобретението, е такъв който в условията на процеса на окислителната реакция е проницаем по отношение преминаването на окислителя, когато последният е в газова фаза. Във всички случаи пълнежът е също проницаем по отношение израстването през него на продукта от окислителната реакция. По време на окислителната реакция течният метал преминава през продукта от окислителната реакция и поддържа реакцията. Този продукт от окислителната реакция е непроницаем за околната атмосфера, например през него не може да премине въздух. Непроницаемостта на израстващия продукт от окислителната реакция по отношение на атмосферата в пещта води до проблем, дължащ се на разликата в налягането, когато продуктът от окислителната реакция затвори кухина, оформена от миграцията на течния основен метал. Този проблем се преодолява чрез използването на самосвързващ се пълнеж, който както е дефиниран тук, е пълнеж който при температура над точката на топене на основния метал и близко до, но под, температурата на окислителната реакция, частично се синтерова или свързва по друг начин достатъчно здраво както самият той, така и към нарастващия пласт от продукт от окислител6 ната реакция, и осигурява структурна якост отвън на растящата кухина и запазва възпроизведената геометрия на формата в образуваната кухина поне докато конструкцията от растящия продукт от окислителната реакция придобие достатъчна дебелина, за да се противопостави на разликата в налягането, която се образува напречно на стената от растящия продукт от окислителната реакция, дефиниращ кухината, която се образува. Не е необходимо обаче самосвързващият се пълнеж да се синтерова или самосвързва при твърде ниска температура, тъй като ако това стане, той би се напукал от термичното разширение и обемното изменение при топенето на основния метал, когато последният се загрява до температурата на реакцията, т.е. самосвързващият се пълнеж би трябвало да запази състоянието си, за да поеме разликата в обемните изменения между него и основния метал, докато последният се нагрява и разтопява и след това да се самосвързва, за да осигури механична якост за образуващата се кухина с развитието на окислителната реакция. Методът съгласно настоящето изобретение обаче обикновено избягва или преодолява проблема с диференциалното налягане, тъй като тук не се образува, поне до някаква значителна степен, кухина, изцяло затворена от растящия продукт от окислителната реакция. Могат да се използват обаче прегради, които са непроницаеми по отношение на атмосферата и в някои случаи се поставят така, че те блокират достъпа на атмосферата в пещта до образуващата се кухина, в резултат на което се създава диференциално налягане, действащо напречно на стените на растящия продукт от окислителната реакция. В такива случаи се използва самосвързващ се пълнеж, който да предаде механична якост поне по време на етапа на първоначалното израстване на продукта от окислителната реакция.

Не е необходимо цялата пълнежна маса да представлява напасващ се пълнеж, или когато се изисква, самосвързващ се пълнеж, въпреки че такава презумпция е в основата на изобретението. Пълнежът трябва да бъде напасващ се и/или самосвързващ се само в онзи участък от него, който е непосредствено до и оформен от позитивната матрица от основен метал. С други думи пълнежът трябва да е напасващ се и/или самослепващ се само до дълбочина, която е достатъчна, за да пасне към позитивната матрица от основен метален предшественик и в случая на самосвързванеда осигури достатъчна механична якост при специфична ситуация. Останалата част от пълнежа не е необходима да бъде нито напасващ, нито самосвързваща се.

Във всеки случай пълнежът не би трябвало да се синтерова, топи или реагира по такъв начин, че да образува непроницаема маса, която да блокира инфилтрацията на продукта от окислителната реакция през него или когато се използва окислител в газова фаза, преминаването на този окислител през него. Освен това, пълнежът би трябвало да е достатъчно подвижен, за да поеме диференциалните термични разширения между основния метал и пълнежа при загряването на системата, както и обемните изменения при топенето на основния метал, докато запазва плътно допира си към позитивната матрица от основния метален предшественик.

Свойствата на пълнежа като проницаемост, пасване и самосвързване са свойства на целия пълнеж и отделните компоненти на пълнежа не е необходимо да имат някоя или всички от тези характеристики. Така, пълнежът може да обхваща както един вид материал, смес от частици на един и същ материал, но с различна големина, така и смеси от два или повече материала. В последния случай някои компоненти от пълнежа може да не бъдат достатъчно самосвързващи се или синтероващи се при температурата на окислителната реакция, но пълнежът, съставна част от който са, ще има свойства за самосвързване или синтероване при и над температурата си на самосвързване поради наличието на други материали. Голям брой материали, които са подходящи пълнежи в керамичната композиция поради предаването й на необходимите желани свойства, също ще притежават свойствата на проницаемост, пасване и самоследване, описани по-горе. Такива подходящи материали ще останат несинтеровани или несамосвързани доста време под температурата на окислителната реакция, така че пълнежът, в който се включва матрицата, може да поеме термичното разширение и изменението на обема при точката на топене и чак тогава ще се синтерова или свърже по друг начин само при достигане на температура на самосвързване, която лежи в диапазона над точката на топене на основния метал, но близо до и под температурата на окислителната реакция, достатъчно за да предаде необходимата механична якост и да предотврати разрушаването на образуващата се кухина по време на началния етап на израстване на продукта от окислителната реакция.

Тялото от основен метал може да бъде съставено от два, разположени на разстояние един от друг, цилиндри с отворени краища.

За забавяне израстването или развитието на продукта от окислителната реакция извън дадена преграда се използват прегради. Подходящи прегради са всеки материал, съединение, композиция или други подобни, които в условията на процеса, съгласно настоящето изобретение, запазват целостта си, не са летливи и за предпочитане са проницаеми за газовия окислител, докато в същото време са в състояние местно да забавят, прекратят, предотвратят или по друг начин осуетят непрекъснатия растеж на продукта от окислителната реакция. Подходящи преградни материали за алуминиев основен метал и въздух или съдържащ кислород газ като окислител са калциев сулфат /чист гипс/, калциев силикат и портланд-цимент, както и комбинации от тях, които обикновено се полагат като каша или паста към повърхността на матрицата или повърхността на пълнежния материал, когато израстването трябва да се ограничи до даде4н участък от пласта пълнежен материал. Тези бариерни материали могат също да включват подходящи летливи или горими съставки, които да се елиминират при загряването, или материали, които се разграждат при загряване, с цел да се увеличи порьозността и съответно проницаемостта на бариерата. Освен това, бариерата може да включва още подходящи огнеупорни частици, които да редуцират всяко възможно нагъване или напукване, което в противен случай би настъпило по време на процеса. Такива частици, притежаващи почти същия коефициент на термично разширение като този на пълнежния слой, са особено предпочитани. Например, ако слоят пълнежен материал съдържа алумоокис и получаващият се керамичен продукт представлява алумоокис, бариерата може да се смеси с алумоокисни частици, с размери по възможност почти като тези на частиците на слоя, т.е. около 20-1000 меша. Други подходящи прегради са плътни огнеупорни керамики или метални листове, които за предпочитане са отворени поне в единия си край, за да позволят на газовия окислител да проникне в слоя пълнеж и да влезе в контакт с течния основен метал. В някои случаи може да е възможно въвеждането на източник на втори метал с бариерния материал. Например, някои марки неръждаеми стомани, когато попаднат в специални условия като висока температура и окислителна среда образуват съответни окиси, такива като железен окис, никелов окис или хромен окис в зависимост от състава на стоманата. Така в някои случаи преграден материал, например лист от неръждаема стомана, може да осигури подходящ източник на втори или чужд метал, като това може да доведе до въвеждането на втори метал като желязо, никел или хром в потока от течен основен метал при контакта със същия.

Предимствата на метода съгласно изобретението се състоят в това, че се избягват междинните етапи за отделно изготвяне на цилиндричните тела, които трябва да се разположат концентрично и да се свържат взаимно. Освен това при производство на керамично тяло със сложна форма за постигане на формата се обработва механично металната матрица вместо керамичното тяло, което е много по-лесно и евтино.

Термините, които се използват в описанието на изобретението имат значенията, посочени по-долу.

“Керамика” не трябва да се тълкува като ограничена до керамично тяло в класическия смисъл, т.е. в смисъл, че то се състои изцяло от неметални и неорганични материали, а поскоро се отнася до тяло, което е преобладаващо керамично по отношение както на състав, така и на свойства, въпреки че тялото може да съдържа незначителни или значителни количества от една или повече метални съставки, извлечени от основния метал или редуцирани от окислителя или добавката, най-често в диапазона от около 1 -40 обемни %, но може да съдържа и повече метал.

“Продукт от окислителна реакция” обикновено означава един или повече метали във всяко окислено състояние, при което металът е отдал или приел електрони от друг елемент, съединение или комбинация от двете. Следователно, “продукт от окислителна ре8 акция” съгласно тази дефиниция, е продукт, който е получен от реакцията на един или повече метали с окислител, така както е описано тук.

“Окислител” означава един или повече материали, приемащи или отдаващи електрони, и може да бъде елемент, комбинация от елементи, съединение или комбинация от съединения, включително редуцируеми съединения, и е твърд, течен, газообразен или комбинация от тези състояния /например твърд и газообразен/ при условията на процеса.

“Основен метал” се отнася до този метал, например алуминий, който е предшественикът на продукта от окислителната реакция и включва този метал като сравнително чист метал, търговски наличен метал с включвания и/или легиращи съставки или е сплав, в която този предшестващ метал е главната съставна част. Така че когато даден метал се спомене като основен, например алуминий, трябва да се определя с тази дефиниция, освен ако не е определен като друг чрез контекста.

“Цилиндрична стена” или “цилиндричен стенен елемент” не трябва да се тълкува като, понятие ограничено до стена, чиято форма в напречно сечение е окръжност, а по-скоро се отнася до всяка стена, чието напречно сечение може да бъде с всяка подходящо ограничена форма като кръгла, елиптична, триъгълна, правоъгълна или всеки друг многоъгълник /например петоъгълник, осмоъгълник и т.н./. Освен това, терминът включва стени, чиито повърхнини не са само гладки и плоски, а също така и стени, притежаващи всякакъв вид конфигурация /вълниста, назъбена, синусоидна, рифелована и т.н./.

Терминът “приспособим”, отнесен към пълнежа, означава че пълнежът е такъв, че може да се уплътнява около, да се полага към или да се обвива около дадена матрица, при което заема формата на матрицата, включена в него.

Както е използван тук и в приложените претенции за характеризиране на конформируеми пълнежи терминът “самослепващи се” означава онези пълнежи, които, когато са поставени в контакт с позитивната форма от основен метал, запазват достатъчна подвижност, за да поемат измененията на обема на основния метал при точката му на топене и разликата в термичното разширение между основ ния метал и пълнежа и поне в опорната си зона, непосредствено до позитивната форма, са естествено самослепващи, но само при температура над точката на топене на основния метал, но под и достатъчно близко до температурата на окислителната реакция, за да позволи споменатото поемане на различните изменения. Такова самослепване на пълнежа му предава достатъчна кохезионна якост, която запазва инверсно възпроизведения негативен отпечатък от диференциалното налягане, което се развива напречно през него вследствие извличането на течния метал в пълнежа.

Изобретението е илюстрирано с примерни изпълнения, които се обясняват с помощта на следващите фигури.

Фигура 1 е хоризонтална проекция на матрица от основен метал, формована или оформена като цилиндрична тръба с множество отвори, преминаващи напречно през стената на цилиндъра.

Фигура 2 е разрез по 2-2 от фигура 1 с пълнежния материал на място.

Фигура 3 е хоризонтална проекция на фасонния основен метал, илюстрираща алтернативен вариант.

Фигура 4 е поглед отстрани на фасонния основен метал от фигура 3, заедно с пълнежния материал.

Фигура 5 е надлъжен разрез, илюстриращ система от една матрица от основен метал или по-точно от оформения основен метал от фигура 1, включена в слой от пълнежен материал, съдържаща се в огнеупорен съд.

Фигура 6 е уголемен частичен разрез на една прорязана зона от оформения основен метал от фигура 5, илюстрираща носещата или опорната зона в пълнежния материал.

Фигура 7 е хоризонтална проекция на едно неармирано, самоносещо керамично композиционно тяло, произведено съгласно изобретението, като е използвана матрицата от основен метал от фигура 1.

Фигура 8 е поглед отстрани на самоносещото, неармирано керамично тяло от фигура 7.

Фигура 9 е поглед отстрани на матрицата от основен метал, оформен като двойка концентрично разположени цилиндрични тръби, всяка една с множество отвори, преминаващи напречно през стената на всеки от цилиндрите.

Фигура 10 е поглед отстрани на едно самоносещо, неармирано керамично тяло, произведено съгласно изобретението, е използвана матрица от основния метал от фигура 9.

Фигура 11 е изглед при напречен разрез на матрицата от основен метал, използвана при производството на керамична композиция в един алтернативен вариант.

Фигура 12 е поглед отстрани на самоносещо, неармирано керамично тяло, произведено съгласно изобретението, чрез използването на матрицата от основен метал от фигура 11.

Позициите от фигурите имат следните значения:

10-Куха матрица от основен метал, оформена като цилиндър;

12-Стена на матрицата;

14-Централен отвор;

16-Отвори;

18-Удължени отвори;

20-Пълнежен материал;

22- Пълнежен материал, еднакъв или различен от 20;

23- Преграда;

24- Слой от пълнежен материал, еднакъв или различен от 20 и 22;

25- Огнеупорен съд;

26- Керамична композиция;

28, 30-Концентрично разположени тръби;

29-Централен канал;

31- Периферен канал;

32- Ребра;

36-Матрица от основен метал;

38, 40-Концентрично разположени тръби;

42, 44-Напречни отвори;

45-Надлъжни ребра;

46, 48-Вътрешни цилиндрични керамични стени;

50- Ребра;

51- Централен канал за флуид;

52- Външни цилиндрични стени;

53, 57, 59-Периферни канали;

60- Матрица от основен метал;

61- Вътрешна цилиндрична матрица;

62- Външна цилиндрична матрица;

64-Напречни отвори;

66-Прегради;

68, 70-Вътрешни цилиндрични керамични стени;

72-Ребра;

74-Цилиндрична керамична външна стена;

76-Керамични ребра;

78-Централен отвор за флуид;

80, 82-Концентрично разположени канали.

Примерно изпълнение 1. Керамично тръбно тяло, състоящо се от два концентрични вътрешносвързани керамични цилиндъра, се получава от цилиндричен елемент /показан на фигура 2/ с размери: 25 мм дължина и 25 мм диаметър и дебелина на стената 3 мм, съдържащ три реда от четири напречни отвора под 90°, с диаметър всеки от по 3,2 мм. Цилиндърът е алуминиева сплав със следния състав в тегловни %: 8-8,5 силиций, 2-3 цинк и 0,1 магнезий като активни добавки, 3,5 мед, както и малки количества Fe, манган и никел, въпреки че съдържанието на магнезий е малко по-високо от 0,17-0,18. Целите външни и вътрешни цилиндрични стени и стените на напречните отвори се покриват с 0,025-0,25 мм пласт от метален силициев прах с размер на частиците 500 меша и се запълнят с неизпечени, предварително обработени при температури 1250°С в продължение на 24 часа, карборундни частици със зърнестост 500, след което изцяло се поставят в пласт от пълнежен материал, съставен от предварително изпечени карборундни частици със зърнестост 500, поставен в огнеупорен съд. Тази система се загрява до установената температура на процеса 900°С в продължение на 24 часа в присъствие на въздух. Общото време в пещта е 35 часа, 6-за повишаване на температурата и

5-за цикъла на охлаждане.

Полученият композиционен материал се срязва напречно и се виждат двойката цилиндрични стени вътрешносвързани чрез ребра, като тези показани на фигура 9. Вътрешният цилиндър е с външен диаметър, равен на около 16 мм, а дебелината на стената е около 2,5 мм. Разстоянието между двойката цилиндрични стени е около 3 мм. Външният цилиндър има външен диаметър около 17 мм и дебелина на стената 2,5 мм.

Съставът на получената композиция се доказва чрез рентгенов и оптичен микроскопски анализ. Композицията представлява матрица от алумоокис, включваща пълнежа от карборунд.

Примерно изпълнение 2. Примерно изпълнение 1 се повтаря с тази разлика, че пъл10 нежният пласт представлява примес от 70% алумоокис /-325 меша/ и 30% ЕРК /каолин, Фелдспар Co, Едгар, FL/. Системата се загрява до температурата на процеса 1000°С в продължение на 40 часа в присъствие на въздух. Образува се двойка концентрични цилиндрични стени, вътрешносвързани чрез ребра, такива като илюстрираните на фигура

9. Вътрешният цилиндър има дебелина на стената 1,6 мм и външен диаметър 17 мм. Външният цилиндър има дебелина на стената около 1,6 мм и външен диаметър около 27 мм. Разстоянието между двойката цилиндрични стени е около 3 мм.

Примерно изпълнение 3. Примерно изпълнение 2 се повтаря с тази разлика, че тук пълнежът е алумоокис /-325 меша/ и системата се загрява до 1000°С в продължение на 40 часа, след 5 часа подгряване на пещта и 5 часа охлаждане. Образува се двойка от концентрични цилиндрични стени вътрешносвързани чрез ребра. Външният диаметър на външната цилиндрична стена е 3,8 мм, а дебелината й около 2,5 мм. Вътрешната цилиндрична стена е с дебелина 2,5 мм и външен диаметър около 27 мм. Разстоянието между двойката цилиндрични стени е около 3 мм.

Примерно изпълнение 4. Цилиндричен елемент с дължина 25 мм от алуминиева сплав /подобен на този от фигура 2/ изцяло се загрява в пласт от кордиерит, поставен в един огнеупорен контейнер. Цилиндричният елемент е с дължина 25 мм, външен диаметър 25 мм и стени с напречни отвори с диаметър 3 мм. Вътрешната цилиндрична стена и стените на напречните отвори се запълват с кордиеритен пълнеж. Системата се загрява до температурата на процеса 1000°С в продължение на 40 часа в присъствие на въздух. Общото време в пещта е 50 часа с 5-часови цикли на загряване и охлаждане. Израстването на керамичната композиция в двойка концентрични цилиндрични стени, вътрешносвързани чрез ребра, е много равномерно. Външният диаметър на външната цилиндрична стена е приблизително 27 мм, а дебелината й около 1,6 мм. Вътрешната цилиндрична стена е с дебелина около 1,6 мм и външен диаметър около 17 мм. Пространството между двойката цилиндрични стени е около 3 мм.

Claims

Патентни претенции

1. Метод за получаване на неармирано керамично композиционно тяло с канали за флуид, при който тялото от основен метал и пълнежен материал се загряват в присъствие на окислител до температура над точката на топене на основния метал, но под точката на топене на продукта на окислителната реакция, за получаване на тяло от стопен основен метал, което взаимодейства с окислителя за получаване на продукт на окислителната реакция, като поне част от продукта на окислителната реакция се поддържа в контакт със и между тялото от стопен основен метал и окислителя за непрекъснато преминаване на стопен метал от тялото от стопен основен метал през продукта на окислителната реакция и в пълнежния материал, при което температурата се поддържа достатъчно дълго време, за да може поне частично пълнежният материал да се инфилтрира с продукта на окислителната реакция, след което керамичното композиционно тяло се отделя, характеризиращ се с това, че тялото от основен метал се оформя като матрица, притежаваща най-малко една аксиално разположена кухина, която е отворена най-малко в единия край, пълнежният материал се поставя на пластове върху повърхността на стените на матрицата от основен метал, тялото от основен метал взаимодейства с окислителя за непрекъснато преминаване на стопен метал от тялото от стопен основен метал през продукта на окислителната реакция и най-малко в един пласт от пълнежния материал, при което едновременно се образуват множество аксиално разположени и раздалечени една от друга стени най-малко в единия слой от пълнежен материал и полученото неармирано керамично композиционно тяло, притежаващо множество аксиално разположени и отдалечени една от друга стени с гранично напречно сечение, които инверсно отпечатват в противоположни посоки геометрията на матрицата от основен метал, при което се оформят най-малко два, аксиално разположени канала, се отделя.
2. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че пълнежният материал съдържа опорна зона, която се самосвързва са11 мо при температура над точката на топене на основния метал, но под и достатъчно близко до температурата на взаимодействие между стопения основен метал и окислителя.
3. Метод съгласно претенции 1 и 2, характеризиращ се с това, че тялото от основен метал представлява цилиндър, кухината съдържа един надлъжен отвор, а множеството от аксиално разположени и раздалечени една от друга стени са концентрични.
4. Метод съгласно претенции 1 и 2, характеризиращ се с това, че стената на формования основен метал има най-малко едно отвърстие, пълнежният материал се напластява в това отвърстие, а заедно с основния метал се използва добавка.
5. Метод съгласно претенция 4, характеризиращ се с това, че продуктът на окислителната реакция инфилтрира пълнежния материал в отвърстието, при което се образува опорно средство, интегрално свързано с раздалечените една от друга стени.
6. Метод съгласно претенции 1 и 2, характеризиращ се с това, че основният метал, представляващ алуминий, се употребява заедно с добавка, а окислителят съдържа поне един окислител, подбран от групата, съставена от газообразен окислител като кислородсъдържащ газ или азотсъдържащ газ, и окислител, който е твърд при температурата на процеса, такъв като окислител, избран от групата, съдържаща кварц, бор, въглерод, кордиерит и редуцираемо съединение.
7. Метод съгласно претенции 1 и 2, характеризиращ се с това, че основният метал съдържа метал, избран от групата, съставена от алуминий, силиций, титан, калай, цирко-

5 ний и хафний.
8. Метод съгласно претенции 1 и 2, характеризиращ се с това, че пълнежният материал съдържа материал, избран от групата, съставена поне от един окис на метал, подб-

10 ран от групата, съставена от алуминий, церий, хафний, титан, силиций, магнезий, бор, лантан, неодим, празеодим, самарий, скандий, торий, уран, итрий и цирконий.
9. Метод съгласно претенции 1 и 2, ха15 рактеризиращ се с това, че керамичната матрица включва окис, нитрид, карбид или борид.
10. Метод съгласно претенции 1 и 2, характеризиращ се с това, че тялото от основен метал включва два разположени на разстояние един от друг цилинд ъра с отворени краища.
11. Метод съгласно претенции 1 и 2, характеризиращ се с това, че осигурява ограждащите стени на посоченото тяло от основен метал с бариерни материали.