PL154577B1 - Method for manufacturing a ceramic composite - Google Patents

Description

RZECZPOSPOLITA	OPIS PATENTOWY	154 577
POLSKA
		Patent dodatkowy do patentu nr---	Int. Cl.5 C04B 35/10 C04B 35/56
		Zgłoszono: 87 03 03 /P. 264412/
«w® UR PATEI	ZĄD YTOWY	Pierwszeństwo: 86 03 07 Stany Zjednoczone Ameryki Zgłoszenie ogłoszono: 88 04 28	”r*iu SC Olu i
RP	Opis patentowy opublikowano: 1992 02 28

Twórca wynalazku

Uprawniony z patentu: Lanxide Technoloqy Company L.P.,

Newark /Stany Zjednoczone Ameeyki/

SPOSÓB WYTWARZANIA KOMPOZYTU CERAMICZNEGO

Przedmiotem wynalazku Jest sposób wytwarzania kompozytu ceramicznego pyzez yedaicyjnę infiltaację roztopionego metalu mmaierzystego w złoże lub masę zawierającę źródło boru i ewentualnie Jeden lub kilka obojętnych wypełniaczy, dajęcę w efekcie kompozyt złożony z metalu i borku oraz wypełniacza. Jeżeli był użyty.

Istnieje znaczęce zaintei*esowanie zastosowaniem materiałów ceramicznych w konstrukcjach, które zwykle sę wykonywane z metθtl. Zainteresowanie to jest spowodowane wyższością mmteriałów ceramicznych pod względem pewnych właściwości takich jak odporność na korozję, twardość, ścieralność, moduł sprężystości oraz ogniotrwałość w porównaniu z Głównym ogrtticzentee dla stosowania mmteriałów ceramicznych sę problemy w ich wytwarzaniu oraz koszty produkcji wyrobów z materiałów ceramicznych.

Przykładowo, znane jest wytwarzanie borkowych materiałów ceramicznych przez prasowanie na gorąco, spiekanie reakcyjne i reakcyjne prasowanie na gorąco. W przypadku prasowania na gorąco cząstki drobnoziarnistego proszku żądanego borku zagęszcza się przy wysokich temperaturacn i pod dużymi ciśnieniami. Reakcyjne prasowanie na gorąco obejmuje na przykład zagęszczanie boru lub borku metalu z odpowiednim proszkiem zawierającym meu!, również przy podwyższonych temperaturach i ciśnieniach.

Z opisu patent owego USA nr 3 937 619 jest znane przygotowywanie borkowego maer:iału przez prasowanie na gorąco meszaniny sproszkowanego metalu ze sproszkowanym dwuoorkiem. Ponadto z opisu patentowego USA nr 4 512 945 jest znany proces prasowania na gorąco proszku ceramicznego z borem i wodorkiem ma^l.u, aby utworzyć kompozyt oorkowy. Prasowanie na gorąco wymaga stosowania specjalnych urządzeń oraz dodatkowych zaoiegów, a nadto możliwość jego zastosowania jest ograniczona jeśli idzie o wielkość i kształt wytwarzanego wyrobu ceramicznego. Wydajność procesu prasowania jest w skali masowej nie do przyjęcia .

154 577

154 577

Drugim elementem ograniczającym zakres stosowania mtc^risłt^w ceramicznych jest znaczna podatność na uszkodzenia i brak odporności na pękanie, nawet w warunkach poddawania ich umiarkowanym naprężeniom rozciągającym. Jest znane łączenie materiałów cera^mi^{cznych z m}etal^ami, ^na przykład w postaci roroetów lu^b kompoz^ytów z osnow^ę metali^czną. Celem, tego jest połęczenie najlepszych właściwości ceramiki /'twardości/ i metalu /na przykład ciągliwości/·

Z europejskiego zgłoszenia patentowego nr O 116 809 znany jest sposłb wytwarzania kompozytu itrtmiizni-mtttiowtgi /ceremetu/, polegający na przygotowaniu mieszaniny cząstkowych reagentów i przeprowadzeniu reakcji w styku z riztopionym maialem, ktłry infiltruje w Przygadam uzyskanej w ten sposłb mieszaniny reakcyjnej jest mieszanina zawierająca dwu u lenek tytanu, tlenek boru i aluminuum /w ioościach stechio— metrycznych i w postaci cząstkowej ktłra po zetknięciu z riztopioπym aluminuum reaguje tworząc dwuborek tytanu i tlenek glinowy jako fazę ceramiczną, w ktłrą infiltuuje aluminium. z opisu tego wynika, że roztopiony ι^βΐ, to znaczy aluminuum jest czynnikiem redukującym, a nie prekursorem dla reakcji tworzenia borku.

Z innego, europejskiego zgłoszenia patentowego nr O 113 249 jest znany sposłb wytwarzania cermetu przez wytworzenie najpierw rozproszonych cząstek fazy ceramicznej na miejscu w fazie roztopionego meielu, a następnie utrzymywanie takiego stanu roztopienia przez czas wystarczający na wytwórzenie przerosłej sieci ceramicznee. Tworzenie fazy ceramicznej jest ziUustiewane przez reakcję soli tytanu z solę boru w rozt^c^fio^r^-^m we^l-u. Ceramika powstaje na miejscu i staje się przerosłą siecią. Nie me jednak żadnej infiltracji, a ponadto roztopiony Meal stosowany w tym procesie, na przykład aluminium, jest czynnike^m redukującym i nie reaguje w celu utworzenia jako faza wydzielona w roztopoonym maialu. 2 tego opisu wynika, te nie powssają ziarna TiAl-j, AlBg lub AłB^, ale raczej powssaje TiBg, co potwierdza fakt, Ze aluminuum nie jest mθtalicznym prekursorem borku.

Ponadto,z opisu patentowego USA nr 3 864 154 jest znany układ ceramika-metel przy infiltracji. Wypraska z AlB^ jest nasycona riztopionym aluminuum w warunkach prłżni, aby uzyskać układ złożony z tych składniki. Znane z tego opisu matθritły zawierają SiBg-Al, B-Al, B^C-Al/Si, Α1Β12-Β·Α1. W opisie nie ma żadnej wzmianki o reakcji i żądanej suge^ti co do wytwarzania kompozytłw w wyniku reakcji z metalem infiltrującym lub z produktem reakcji obejmującym obojętny wypełniacz lub będącym częścią komppiycu.

Chociaż te znane sposoby wytwarzania ^netów dają w niektórych przypadkach obiecujące ^^,ηί!^ίί, to na skalę przemysłową nie nadają się do stosowania ze względów ekoίomycznych.

Sposób wytwarzania kompozytu ceramicznego według wynalazku polega na wykorzystaniu zjawiska infiltracji metalu macierzystego i procesu reakcyjnego, to znaczy infiltracji reakcyjnej, w obecności źródła boru. To złoże lub masa materiału, w który ma inflitrować metal maaierzysty, może być złożone całkowicie ze źródła boru, co w wyniku daje kompozyt zawierający borek metalu macierzystego i metal. Alternatywnie masa, w którą ma odbywać się inflltaacja, może zawierać jeden lub kilka obojętnych wypełniaczy domieszkowanych źródeem boru, aby wytworzyć kompozyt przez reakcyjną infiltaację, który zawiera osnowę z meealu i borku metalu macierzystego otaczającego wypełniacz.

Zgodnie z wynalazkeem metal maacerzysty ogrzewa się w zasadniczo obojętnej atmosferze do temperatury powyżej jego temperatury topnienia, aby powstała bryła roztopionego meealu i styka się tę bryłę roztopionego metalu maaćerzystego z masą zawierającą źródło boru, przy czym utrzymuje się wymienioną temperaturę przez czas wystarczający, by umoiliwić infiltrację roztopionego metalu macierzystego ze źródeem boru tak, aby powstał borek metalu macierzyseego i kontynuuje się infilttację i reakcję przez czas wystarczający dla wytworzenia kompozytu zawierającego fazę meealiczną i borek meealu maaćerzystego. W szczególności, zgodnie z wynalazkeem miesza się źródło boru z obojętnym wypełniaczem, urnooliwia się infiltrację i reakcję w tak utworzoną masę, aby otoczyć wypełniacz i wytwarza się kompozyt z osnową otaczającą wypełniacz, przy czym osnowa ta zawiera fazę meealiczną i borek meealu maacerzystego. Źródło boru stosuje się przynajmniej w ilości stechiometrycznee, a infiltrację i reakcję kontynuuje się przez czas -wystarczający dla zasadniczo całkowitego zuzycia

154 577 metalu macierzystego, albo też do momentu utworzenia porowatej bryły kompozytu. 3ako metal macierzysty stosuje się aluminium, tytan, cyrkon, krzem, hafn, lantan, żelazo, wapń, wanad, niob, magnez i beryl. Korzystnie, źródeem boru jest bor pierwiastkowy, metalem maierz^st^m jest aluminium, zaś wytworzony kompozyt zawiera wówczas aluminuum i borek aluminium.

Zgodnie z wynalazkiem stosuje się masę zawierającą źródło boru o małej gęstości, przy czym właściwości wykazywane przez powstały kompozyt sę zdominowane przez właściwości fazy eetaCiiznej. Korzystnie, stosuje się masę cawiercjącę źródło boru o małej gęstości w przestrzeniach pomiędzy składnikami sypetniacza, przy czym uzyskiwana osnowa wykazuje właściwości zdominowane przez fazę met^licznę. Alternatywnie stosuje się masę ccwierajęcę źródło boru o dużej gęstości, przy czym powstający kompozyt wykazuje właściwości zdominowane przez borek meealu maaiercysttgo. Korzystnie, stosuje się masę zcwiercjąią źródło boru o dużej gęstości w przestrzeniach pomiędzy składnikami wypotniciza, przy czym uzyskiwana osnowa wykazuje właściwości zdominowane przez borek meealu maacerzystego. Korzystnie stosuje się masę zawiercjącę przynajmniej 50% wagowych źródła boru, przy czym borek metalu macierzyttegz Jest złączony ze sobę w przynajmniej jednym kierunku. Również korzystne Jest stosowanie masy zawierajęcej borek metalu redukowalny przez meeal maacerzysty, przy czym faza Mt^^lίc;:nc zawiera z tego borku meealu.

W szczególności stosuje się tytan jako meeal maacerzysty, a redukowalnym borkiem metalu Jest dwunastoborek aluminium. Użyte określenie 'mea^l. maci6rzysty oznacza taki maeal, na przykład aluminium, który Jest prekursorem polikrystalccznego produktu reakc^, to znaczy borku meealu meaiercystego i zawiera ten meeal w postaci czystej lub prawie czystej , dostępny w handlu meeal z zanieczyszczeniami i/lub składnikami stopowymi oraz stop, w którym ten prekursor mmealu jest głównym składnikiem.

Źródło boru oznacza bor pierwiastkowy lub borek meealu, który będzie reagować z metalem maaiercyttym w warunkach temperatury procesu, aby pzwstał borek rneć^lu mecierzystego, przy czym jest on zwykle w stanie st^ym w warunkach procesu, ale zwłaszcza przy met^^ach mecieΓzystych o wysokiej tee3et·^tlrzt topnienia, może być cieczę w warunkach procesu .

Borek metalu maaiercystθgo oznacza produkt reakcji źródła boru i meealu mci^r^ys^tβgo i zawiera dwuskładnikowy.

Claims (15)

1. Zastrzeżenia patenoowe

   1. Sposób wytwarzania kompozytu ceramicznego, znamienny tym, że maacerzysty ogrzewa się w zasadniczo obojętnej atmosferze do temperatury powyżej jego teeporatury topnienia, aby powstała bryła roztopionego metalu i styka się tę bryłę roztopionego metalu macierzystego z masę casiercjęią źródło boru, przy czym utrzymuje się wyrnmenionę tempoΓaturę przez czas wyssarczaJęcy, by ummolisić infiltaację roztopionego meealu maaiercystego w wymeenioną masę oraz reakcję roztopionego metalu macierzystego ze źródła boru tak, aby Oowstał borek weslu macieΓcystego i kontynuuje się intubację i reakcję przez czas wystarczajęcy dla wytworzenia kompozytu zawierającego fazę mmealicznę i borek meealu maaierzyttegz.
2. 2. Sposób według castΓz.l, znamienny tym, że miesza się źródło boru z obojętnym wypełniaczem, umeZlisia się infiltcację i reakcję w tak utsztconą masę, aby otoczyć wypełniacz i wytwarza się kompozyt z osnowę otaczający wypeeniacz, przy czym osnowa ta zawiera fazę met^ł-i^c^nę i borek metalu mecierzystego.
3. 3. Sposób według zastrz.l albo 2, znamienny tym, że źródło boru stosuje się przynajmniej w ilości ttechίomeerycznet, a infiltcację i reakcję kontynuuje się przez czas wystarczajęcy dla zasadniczo całkowitego zużycia metalu maciercystego.
4. 4. Sposób według zastrz.3, znamienny tym, że infiltrację i reakcję kontynuuje się przez czas wystarczający dla wytworzenia porowatej bryły.

   154 577
5. 5. Sposób według zastrz.1 albo 2, znamienny tym, ze Jako metal macierzysty stosuje sią aluminium, tytan, cyrkon, krzem, hafn, lantan, żelazo, wapń, wanad, niob, m^^nez i beryl.
6. 6. Sposób według zastrz.1 albo 2 albo 4, znamienny tym, że metaeent macierzystym jest aluminium, źródeem boru jest bor pierwiastkowy, a wytworzony kompozyt zawiera aluminUum i borek aluminium.
7. 7. Sposób według zastrz.1, znamienny tym, że stosuje się masę zawierającą źródło boru o młej gęstości, przy czym właściwość i wykazywane przez powstały kompozyt są zdominowane przez właściwości fazy metalicznej .
8. 8. Sposób według zastrz.2, znamienny t m m, ze stosuje się masą zawierającą źródło boru o młej gęstości w przestrzeniach pomiądzy składnikami wypełniacza, przy czym uzyskiwana osnowa właściwości zdominowane przez fazą metaliczną.
9. 9. Sposób według zastrz. 7 albo 8, znamienny t m m, te źr-ódemm boru jest pierwiastkowy bor.
10. 10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje sią masą zawierającą źródło boru o dużej gęstości, przy czym powssający kompozyt wykazuje właściwości zdominowane przez borek meealu maccerzystego.
11. 11. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że stosuje sią masą zawierającą źródło boru o dużej gęstości w przestrzeniach pomiądzy składnikami wypaeniacza, przy czym uzyskana osnowa wykazuje właściwości zdominowane przez borek meealu ma^erzy stego .
12. 12. Sposób według zastrz. 10 albo 11, znamienny tym. Ze źródłem Doru jest bor pierwiastkowy.
13. 13. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, ze stosuje sią masą zawierającą 50¾ wagowych źródła boru, a borek metalu yacierzystegk jest złączony ze sobą w przynajmniej jednym kierunku.
14. 14. Sposób według zastrz. 1 albo 13, znamienny tym, ze stosuje sią masą zawierającą borek meealu redukowalny przez maCerzysty, a faza metaliczna zawiera meeal z tego borku meealu,
15. 15. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym. Ze metalem maaitrzyttyy jest tytan, a redukowalnym borkiem metalu jest dwunastooorek aluminium.

    Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 100 egz.

    Cena 3000 zł