RU1776254C

RU1776254C - Способ изготовлени композиционного материала

Info

Publication number: RU1776254C
Application number: SU874202538A
Authority: RU
Inventors: С.Ньюкирк Марк; Л.Звикер Ширли
Original assignee: Ланксид Текнолоджи Компани
Priority date: 1986-05-08
Filing date: 1987-05-07
Publication date: 1992-11-15
Also published as: BR8702283A; YU46674B; IN167472B; JPH0748177A; ES2000418T3; ZA872584B; DK233187A; HUT46616A; TR22778A; FI872021A; EP0245192A2; NO175301B; CN87103305A; KR870011062A; JPS6330376A; PT84844B; NO871337D0; GR3004492T3; CS276180B6; NO871337L

Abstract

Назначение: изобретение относитс к способам изготовлени изделий заданной формы из самонесущего керамического композиционного материала. Сущность изобретени : способ включает приведение массы исходного металла из группы: Tl, Si, Zr, Hf, Sn, Zn, легированный Al в контакт с наполнителем, инертным в услови х проведени процесса, нагрев в газообразной среде до температуры, превышающей точку плавлени металла, но меньшей точки плавлени продукта его взаимодействи с газообразной средой, и выдержку до миграции продукта взаимодействи в наполнитель и полной его пропитки, причем наполнитель сформован в виде шаблона, соответствующего форме будущего издели . При этом в качестве наполнител используют по крайней мере один компонент из группы: А120з, SIC, SI3N4, AIM, МдАЬОл, NiAI204, ВаТЮз, TiB2, SnOa в виде частиц любой формы размером 16-1000 мкм. Алюминий легируют по крайней мере двум элементами из группы: Si, Mg, Mn, Ni, Zn, Sn, Fe, Си. Возможно дополнительное введение ускорител процесса (по крайней мере одного элемента из группы: Ni, Zn, P, Si, Cr, Mg) в виде сло на поверхности металла или в виде дополнительного компонента в наполнителе. В качестве газообразной среды используют кислород, воздух, азот, формиргаз, Со/СОа, СН4, Н2/Н20. Получают издели сложной формы. Ё

Description

Изобретение в широком смысле касаетс изделий из самонесущего керамического композитного материала заданной формы и способов их изготовлени . Более конкретно насто щее изобретение касаетс изделий заданной формы из самонесущего керамического композитного материала, включающих в себ заданной формы брикет, впитанный керамической матрицей, а также способов изготовлени новых изделий из керамического композитного материала путем инфильтрации заданной формы брикета

посредством керамической матрицы благодар выращивани продукта реакции окислени из предшествующего продукта основного металла, который (продукт) встраивает в себ компоненты брикета, тем самым образу композитное изделие.имею- щее геометрию брикета.

Описание предшествующего уровн техники.

В последние годы отмечаетс возрастающий интерес к использованию керамики дл конструкционных применений, историXI

S

кэ ел

Јь

W

чески обслуживаемых металлами. Побудительным мотивом такого интереса послужило превосходство керамики в отношении некоторых свойств, как стойкость к коррозии , твердость, модуль упругости и огне- упорные свойства по сравнению с металлами.

Текущие услови в области производства более прочных, более надежных и более пластичных керамических изделий главным образом сфокусировались на разразботке усовершенствованных способов изготовлени монолитных керамических изделий и разработке новых композиций материалов, именно, керамических матричных композитных материалов. Структура композитного материала или издели вл етс такой, котора содержит неоднородный материал, тело или изделие, выполненное из двух или более разных материалов, которые тесно объединены, чтобы достигнуть требуемых свойств композитного материала (издели ). Например, два разных материала могут быть тесно объединены путем заделывани одного в матрицу другого. Композитна структура керамической матрицы типично содержит керамическую матрицу, котора включает в себ одного или более, разных видов материалов-наполнителей, таких как частицы, волокна, стержни и /тому подо- бное.

Традиционные способы изготовлени керамических изделий включают в себ следующие общие стадии: подготовка керамического материала в порошкообразной форме, дробление или измельчение порош- кз дл получени очень мелких частиц, формование порошков в изделие заданной геометрии (с допуском на усадку во врем последующей обработки), например, одно- осное прессование, изостатическое прессование , заливка в форму под давлением методом впрыска, ленточное литье, шликер- ное литье и р д других способов, уплотнение тела путем нагревани его до повышенной температуры с таким расчетом порошкообразные частицы сливаютс вместе дл образовани когерентной структуры , предпочтительно достигаемой без применени давлени (т.е. синтерирование без прессовани ), но в некоторых случа х требуетс дополнительна движуща сила, котора может быть создана через применение внешнего давлени либо одноосно (т.е. гор чее прессование), либо изостатиче- ские (т.е. гор чее изостатическое прессование ), и отделка, часто требуетс алмазное шлифование.

Когда эти традиционные способы используютс дл подготовки композитных

материалов керамической матрицы, возникают дополнительные трудности. Возможно наиболее серьезные проблемы касаютс стадии уплотнени . Способ, синтезирование без прессовани , может быть трудным или невозможным дл получени конкретных композитных материалов, если материалы высоко несовместимые. Более важно, когда традиционное синтерирование невозможно , в большинстве случаев име дело с волокнообразными композитными материалами , даже когда материалы совместимые, потому что сли нию частиц вместе преп тствуют волокна, которые стрем тс помешать необходимому перемещению уплотн ющихс порошкообразных частиц. Эти трудности в некоторых случа х частично преодолеваютс путем форсировани процесса уплотнени через применение внешнего давлени при высокой температуре . Однако такие операции могут вызвать много проблем, включа разрушение или повреждение армирующих волокон внешними приложенными силами, ограниченную возможность производить сложные формы (особенно в случае одноосного гор чего прессовани ), и обычно высокие стоимости вл ютс результатом низкой производительности способа и иногда необходимыми дорогими отделочными работами.

Могут возникать также дополнительные трудности при смешивании порошков с нитевидными кристаллами или волокнами и на стадии формовани тела/издели , где важно поддерживать равномерное распределение второй фазы композитного материала в матрице. Например, при подготовке керамического композитного материала усиленного нитевидными кристаллами процессы потока порошка и нитевидного кристалла вход т в операцию смешивани , и при формовании тела издели может произойти неоднородность и нежелательное ориентирование армирующих нитевидных кристаллов с последующей утратой эксплуатационных характеристик.

Известен способ получени самосв занного издели путем нагрева в окислительной среде заготовки основного металла, содержащего присадки, до температуры Т, превышающей температуру его плавлени Тпл, не меньшей температуры плавлени его оксида Т.пл. ок. Происходит последовательное окисление металла и рост продукта окислени основного металла через новообразовавшиес оксидные слои.

Известен также способ получени композиционного материала, включающий раз- лещение массы исходного металла из

группы: Si, Ti, Zr, Hf. Sh, Zn, легированный Al в контакте с наполнителем, инертным в услови х проведени процесса и проницаемым дл металла и продукта его окислени с газообразной средой и дл газообразной среды. После этого провод т нагрев и выдержку при температуре Т, удовлетвор ющей условию ТПл. Т Тпл.ок. Выдержку оосуществл ют в течение времени достаточного дл миграции металла и продукта его взаимодействи с газообразной средой в наполнитель до его полной пропитки.

Целью изобретени вл етс получение изделий сложной формы. В соответствии с насто щим изобретением из основного ме- талла, который может быть с присадкой (что подробно по сн етс ниже), предшествующего продукту реакции окислени , формуют отливку, заготовку, стержень, пластину и тому подобное, и помещают в инертный слой, тигель или другой огнеупорный контейнер. Проницаемый заданной формы брикет (подробно описываетс ниже) изготавливают таким образом, чтобы иметь по крайней мере одну определ емую поверхностную грани- цу. Брикет вл етс проницаемым дл парообразного окислител и дл инфильтрации продукта реакции окислени . Брикет помещают смежно и предпочтительно в контакте с одной или больше поверхност ми или ча- стью поверхности основного металла таким образом, что по крайней мере часть определ емой поверхностной границы брикета была установлена на рассто нии или снаружи или отступ от поверхности основного ме- талла. Предпочтительно брикет находитс в контакте с поверхностью основного металла , но когда необходимо, брикет может быть частично погружен, в расплавленный металл , (полное погружение перекроет или блокирует доступ парообразному окислителю в брикет дл правильного образовани поликристаллической матрицы). Образование продукта реакции окислени будет происходить в направлении к определ емой поверхностной границе. Эту сборку основного металла и проницаемого брикета в соответствующем контейнере помещают в печь, и нагревают до рабочих условий в газообразной среде.

Брикет, полезный дл реализации изобретени , должен быть достаточно пористым или проницаемым, чтобы дать возможность парообразному окислителю проникнуть в брикет и войти в контакт с основным металлом. Брикет должен быть достаточно проницаемым дл образовани или роста продукта реакции окислени в брикете без нарушени , перестройки или

иного изменени конфигурации или геометрии брикета.

Парообразный окислитель нормально вл етс газообразным или продуктом испарени при рабочей температуре, который образует окисл ющую атмосферу, как на- гтример, атмосферный воздух. Типичный парообразный окислитель включает в себ , например, элементы или соединени , нижеследующего , или комбинации элементов или соединений нижеследующего, включа в этом числе летучие или испар ющиес элементы , соединени или компоненты соединений или смесей: кислород, азот, метан, этан, пропан, ацетилен, этилен, углерод, бор, селен, теллурий, сера, галоген, фосфор, мышь к, пропилен (углеводороды как источник углерода), и смеси, такие как воздух Н2/Н20 и СО/СО2, последние два (т.е. Н2/Н20 и CQ/CCte) полезны при снижении активности кислорода окружающей среды относительно требуемых окисл емых компонентов брикета. Кислород и газовые смеси , содержащие кислород, включа воздух, вл ютс приемлемыми парообразными окислител ми, причем обычно предпочитаетс воздух по очевидным причинам экономии . Когда парообразный окислитель идентифицирован как содержащий конкретный газ или пар, это означает парообразный окислитель, в котором идентифицированный газ или пар вл етс единственным преобладающим компонентом или по крайней мере значительным окислителем основного металла в услови х образованных используемой окислительной средой. Например , хот основным компонентом воздуха вл етс азот, содержание кислорода в воздухе нормально вл етс единственным окислителем основного металла в услови х, образованных используемой окислительной средой. Поэтому воздух подпадает под определение окислител содержащего газ кислород, а не под определение окислител , содержащего газ азот. Примером окис- лител . содержащего газ азот, как понимаетс здесь и в формуле изобретени , вл ете формиргаз, который состоит из примерно 96 процентов (объемных) азота и 4 процентов водорода.

Окислитель, который вл етс жидким или твердым в рабочих услови х, может использоватьс совместно с парообразным окислителем. Такие дополнительные окислители могут быть, в частности, полезны при усилении окислени основного металла, предпочтительно в брикете, а не за пределами его поверхностей. Иначе говор , использование таких дополнительных окислителей может создать среду внутри

брикета более благопри тную дл кинетики окислени основного металла, чем среда снаружи брикета. Эта усиленна среда содействует образованию матрицы в брикете до границы и сводит до минимума перерост. Когда используетс твердый окислитель, он может быть-диспергирован по всему брикету или в части брикета смежной с основным металлом, например в форме частиц или же он может использоватьс как покрытие на брикете. Любой приемлемый твердый окислитель может использоватьс в зависимости от его совместимости с парообразным окислителем. Такие твердые окислители могут включать в себ соответствующие элементы , как бор или углерод, или соответствующие восстанавливающие (восстанавливаемые соединени , как двуокись кремни ) в качестве источника кислорода или некоторые бориды с более низкой термодинамической стабильностью, чем продукт реакции борида с основным металлом.

Если используетс жидкий окислитель, он может быть диспергирован по всему брикету или части его, смежной с расплавленным металлом, при условии, что такой жидкий окислитель не преп тствует доступу парообразного окислител к расплавленному основному металлу. Под жидким окислителем , здесь понимаетс окислитель, который вл етс жидким в условии реакции окислени , и жидкий окислитель может иметь твердый предшествующий продукт, как например, соль, котора плавитс или становитс жидкой в услови х реакции окислени . Альтернативно жидкий окислитель может быть жидким предшествующим продуктом, например, раствором вещества, который используетс дл покрыти части или всех пористых поверхностей брикета, и который плавитс или разлагаетс в услови х рабочего процесса дл образовани соответствующей преобладающей части окислител . Примеры жидких окислителей, как они здесь определены, включают в себ иизкоплавкие стекла.

Сборку основного металла и проницаемого брикета помещают в печь, куда подают парообразный окислитель, и провод т нагрев до или в пределах диапазона температур выше точки плавлени основного металла, но ниже точки плавлени продукта реакции окислени . Например, в случае основного металла алюмини , использу воздух в качестве парообразного окислител , температуру поддерживают между 850- 1450°С и более предпочтительно между 900- 1350°С. В рамках этого рабочего интервала температур или предпочитаемого диапазона температур тело или ванна расплавленного металла образуетс и входит в контакт с окислителем (л ми), и расплавленный металл будет реагировать с образованием сло продукта реакции окислени . При непрерывном воздействии окисл ющей среды в соответствующем температурном диапазоне остающийс расплавленный металл вовлекаетс постепенно в продукт реакции окислени в направлении окислител . При

0 контакте с окислителем расплавленный металл будет реагировать дл образовани дополнительного продукта окислени . По крайней мере часть продукта реакции окислени поддерживаетс в контакте с и меж5 ду расплавленным основным металлом и парообразным окислителем, чтобы поддерживать непрерывный рост поликристаллического продукта реакции окислени в брикете. Поликристаллический продукт ре0 акции будет продолжать расти и образовыватьс в брикете, замуровыва его компоненты, обычно если предусмотрено чередование парообразного окислител , и присутствует дополнительный основной ме5 талл. Когда парообразным окислителем вл етс воздух, это чередование производитс обычно путем создани вентил ционного устройства в печи.

Процесс продолжаетс , пока продукт

0 реакции окислени не поглотит компоненты брикета до определ емой поверхностной границы, и желательно не за нее, что может быть переростом благодар поликристаллическому матричному материалу. Резуль5 тирующий керамический композитный продукт включает в себ брикет инфильтро- ванный до его границ керамической матрицей , содержащей поликристаллический материал, состо щий по существу из про0 дукта реакции окислени основного металла с парообразным окислителем и факультативном и одного или больше компонентов металла, как неокисленные компоненты основного металла и компоненты

5 металла восстанавливаемого окислител . Обычно границы брикета и поликристаллической матрицы совпадают, но могут быть обнаружены или выступать из матрицы отдельные компоненты на поверхност х бри0 кета. Образующа с поликристаллическа матрица может иметь пористость, котора может быть частичной или полной заменой фазы металла, но объемный процент пустот будет во многом зависеть от таких условий,

5 как температура, врем , тип основного металла и концентрации присадки. Типично, в этих поликристаллических керамических структурах кристаллиты продукта реакции окислени взаимосоединены в более, чем одной размерности, предпочтительно в трех

измерени х, и фаза металла или пориста фаза может быть по крайней мере частично взаимно соединенной. Керамический композитный продукт согласно насто щему изобретению имеет вообще хорошо определенные границы и обладает размерами и геометрической конфигурацией первоначального брикета,

Хот насто щее изобретение здесь и далее описываетс с частным акцентированием на алюминий и специфические варианты реализации алюмини , как основного металла, эта ссылка сделана только дл по снительных целей, и должно быть пон тно, что другие металлы, как кремний, титан, олово , цирконий и т.д., также могут использоватьс , которые удовлетвор ют или могут быть в качестве присадок, чтобы удовлетвор ть критерии изобретени . Примеры материалов , полезных дл изготовлени брикета при реализации насто щего изобретени в зависимости от выбранных основного металла и системы окислени , могут включать в себ один или больше из группы: оксид алюмини , карбид кремни , кремне-алюми- ниевый оксинитрид, оксид циркони , борид циркони , нитрид титана, титанат бари , нитрид бора, нитрид кремни , различные ферро-сплавы, например, сплав железа- хрома-алюмини , углерод, алюминий, различные глины и их смеси. Однако любой соответствующий материал может использоватьс в брикете. Например, если в качестве основного металла используетс алюминий, нитрид алюмини вл етс результирующим продуктом реакции окислени , и частицы нитрида алюмини и/или оксида алюмини будут соответствовать материалам дл брикета; если используетс цирконий в качестве основного металла, и нитрид циркони вл етс результирующим продуктом реакции окислени , частицы диборида циркони могут содержать соответствующий состав дл брикета; если титан используетс в качестве основного металла, и нитрид титана вл етс результирующим продуктом реакции окислени , брикет, содержащий частицы глинозема и/или диборида титана будут приемлемыми; если используетс олово в качестве основного металла, и оксид олова вл етс результирующим продуктом реакции окислени , брикет, содержащий частицы глинозема , будет соответствующим; или если кремний используетс в качестве основного металла, и нитрид кремни вл етс результирующим продуктом реакции окислени , брикет, содержащий частицы нитрида титана , будет соответствующим.

Проницаемый брикет согласно насто щему изобретению может быть создан или образован любого заданного или требуемого размера и формы традиционным путем

(шликерное литье, заливка под давлением методом впрыска, прокатное формование, штамповка вакуумом или другие), любого соответствующего материала (лов), который будет более специально идентифицирован

0 и описан ниже. Проницаемый брикет, как сказано ранее, может содержать или иметь включенным в него твердый окислитель и/или жидкий окислитель, который может использоватьс совместно с парообразным

5 окислителем. Брикет должен изготавливатьс по крайней мере с одной поверхностной границей и должен удерживать достаточную целостность формы и зеленую прочность , чтобы обеспечить размерную

0 точность воспроизведени после инфильтрации керамической матрицей. Проницаемый брикет должен быть однако достаточно проницаемым, чтобы не преп тствовать росту поликристаллической матрицы. Пред5 почтительно брикеты согласно насто щему изобретению имеют пористость между 5 и 90% по объему и более предпочтительно около 25 и 50 процентов. Пористый брикет предпочтительно должен быть спо0 собным смачиватьс расплавленным основным металлом в рабочих услови х, чтобы содействовать образованию поликристаллической матрицы и керамического композитного продукта высокой целостности с

5 хорошо определенными кромками.

Брикет любого размера или формы имеет по крайней мере одну поверхностную границу, котора ко существу определ ет назначение или границу дл роста поликри0 сталлической матрицы.

Таким образом не привлекаютс внешние услови , которые могли бы повредить брикет. Усадка, котора могла бы вызвать трещину в брикете или утрату точности вос5 произведени относительно первоначальной формы и допуска, практически отсутствует и не требуютс трудоемкие и дорогие способы и устройство дл получени композитного керамического продукта.

0 Кроме того, насто щим изобретением устран етс особа потребность в химической и физической совместимости, необходимые дл синтерировани без давлени композитного продукта из мелких частиц.

5 Проницаемый брикет согласно насто щему изобретению может быть образован из любых соответствующих материалов, как керамические и/или металлические частицы , порошки, волокна, нитеобразные кристаллы , проволоки, мелкие частицы, полые

тела или сферы, проволочные или огнеупорные ткани, твердотельные сферы и т.д. и их комбинации.

Брикет может содержать решетку из армирующих стержней, полос, труб, пластин, проволок, сфер или других частиц, пластинок , проволочной ткани, керамической жаропрочной ткани или тому подобное или комбинации любых из вышесказанных материалов , предварительно подготовленных в требуемой форме, Далее, материал/ы/ брикета может быть однородным или разнородным . Соответствующие материалы брикета , как керамические порошки или частицы могут быть св заны вместе с по- мощью соответствующего св зующего вещества , например, поливинилового спирта или ему подобного, который не мешает реакци м согласно насто щему изобретению и не оставл ет ненужного остаточного по- бочного продукта в керамическом композитном продукте. Может использоватьс карбид кремни и глинозем, имеющие зернистость или размер меш/ в диапазоне от 10 до 1000 или тоньше. Частицы могут быть сформованы известными или традиционными способами, как например путем образовани суспензии частиц в органическом св зующем, выливани суспензии в изложницу/форму и затвердевани .

Более конкретно можно указать три класса материалов, соответствующих дл проницаемого брикета.

Первый класс материалов включает в себ те химические виды, которые в услови- х температуры и окислени процесса изго- товлени не вл ютс летучими, термодинамически вл ютс стабильными, и не реагируют с расплавленным основным металлом и не раствор ют его чрезмерно.

Такие материалы включают в себ оксиды одного металла: алюмини А120з, цери Се02, гафни НГО2, лантана LaaOs, неодима NdzOs, празеодим, разные оксиды, самарий ЗглаОз, скандий 5с20з. торий , уран U02, иттрий Y2U3 и цирконий ZrOa. В этом классе стабильных огнеупорных соединений содержатс дополнительно большое ко- личество двойных, тройных и более высокого пор дка соединений металлов, та- как алюминат магни . .

Второй класс материалов дл брикета составл ют те материалы, которые не вл ютс имманетно стабильными при окислении и высокой температуре, но которые е силу относительно медленной кинетики реакций разложени могут действовать и/или выполн ть как фаза брикета, когда инфиль- труютс растущей поликристаллической керамической матрицей Особенно полезным

материалом дл насто щего изобретени вл етс карбид кремни . Этот материал будет окисл ть полностью в услови х, необхо- димых дл окислени алюмини кислородом или воздухом в соответствии с изобретением, так как здесь нет защитного сло оксида кремни , который мог бы образоватьс и покрыть частицы карбида кремни , ограничива дальнейшее окисление карбида кремни .

Третий класс соответствующих материалов дл брикета согласно насто щему изобретению составл ют материалы, которые не выдерживают с точки зрени термодинамики или кинетики окисл ющей среды или воздействи расплавленного металла, что необходимо дл реализации изобретени . Такой брикет может быть совместим со способом согласно насто щему изобретению, если среда менее активна, например, благодар использованию Ha/rteO или СО/СО2 в качестве окисл ющего газа, если применено покрытие такое как оксид алюмини , что делает компоненты кинетически нереактивными в среде протекани процесса. Примером этого класса материалов брикета будет углеродное волокно, используемое совместно с расплавленным основным металлом алюминием, Если алюминий должен быть окислен воздухом или кислородом при температуре , например, 1250°С дл образовани матрицы, включающей в себ брикет, содержащий эти волокна, и углеродные волокна будут стремитьс реагировать и с алюминием (дл образовани карбида алюмини и с окисл ющей средой {длл образовани СО или CU2). Эти нежелательные реакции могут быть устранены путем покрыти углеродного волокна (например, глиноземом ) дл предотвращени реакции с основным металлом и/или окислителем и факультативно путем использовани атмосферы CO/COz как окислител , который стремитс к окислению алюмини , но не содержащегос углеродного волокна.

Брикет согласно насто щему изобретению может использоватьс как одинарный брикет или как сборка брикето дл образовани более сложных форм. Установлено, что поликристаллическа матрица может расти в смежных соприкасающихс участках сборки брикетов и св зывать смежные брикеты в их контактных поверхност х в единый или интегральный керамический композитный материал. Сборка брикетов производитс таким образом, что направление роста продукта реакции окислени будет в направлении и в сборке брикетов дл инфильтрации и замуровывани сборки в границах, определ емых смонтированными

брикетами. Таким образом, сложное керамическое композитное изделие может быть образовано как интегральное тело, которое в противном случае не может быть образовано традиционными способами производства . Должно быть пон тно, что термин брикет, как он используетс здесь и в формуле изобретени , означает одинарный брикет или сборку брикетов, если не оговорено иначе.

При производстве чистой или почти чистой формы керамического композитного издели , которое сохран ет по существу первоначальную форму и размеры брикета, происходит выращивание керамической матрицы по крайней мере в сторону одной определ емой поверхностной границы брикета . Рост за поверхностные границы может быть предотвращен, заторможен или управл тьс с помощью любой одной или комбинацией нижеследующих стадий: путем включени твердого или жидкого окислител в брикет, так что внутренний рост значи- тельно предпочитаетс росту за поверхности брикета, путем использовани точного заданного количества основного металла, так что когда он полностью израсходован или преобразован в поликристаллическую структуру, продукт реакции окислени находитс на границе проницаемого брикета, путем управлени или ограничени количества окислителей дл протекани процесса путем создани барьерного средства на поверхности брикета, или путем останавливани процесса за счет удалени или устранени окисл ющей атмосферы или изменени температуры реакции , снаружи температурной оболочки процесса, например, пониженна ниже точки плавлени основного металла. Обычно температура снижаетс путем понижени температуры печи, и затем материал изымаетс из печи.

Керамическое композитное изделие, полученное в результате реализации насто щего изобретени , будет обычно плотным когерентным продуктом, в котором около 5% и около 98% (объемных) всего объема керамического композитного издели состоит из одного или более чем одного материала брикета, замурованного в поликристаллической керамической матрице . Поликристаллическа керамическа матрица обычно состоит, когда основным металлом вл етс алюминий, а окислителем вл етс воздух или кислород, примерно из 60 до 99% (весовых) (от веса поликристаллической матрицы) взаимосоединенных оксида «-глинозема и от 1 до 40

мас.% на той же основе расчета неокисленных компонентов металлов.

Добавление материалов-присадок совместно с металлом может благопри тно

вли ть на процесс реакции окислени . Функци или функции материала-присадки может зависеть от р да факторов иного характера, чем сама присадка. Эти факторы включают в себ , например, конкретный ос0 новной металл, требуемый конечный продукт , конкретна комбинаци присадок, когда используетс два или больше мате- риала-присадок, использование внешне нанесенной присадки в комбинации с леги5 рованной присадкой, концентраци присадки , окислительна среда и услови протекани процесса.

Присадка или присадки, используемые совместно с основным металлом могут об0 разовыватьс как компоненты сплава основного металла, и/или могут наноситьс по крайней мере на часть поверхности основного металла и/или могут наноситьс или включатьс в брикет или .часть брикета. На5 пример, легированна присадка может использоватьс в комбинации с внешне нанесенной присадкой. Возможно диспергирование присадок во всей массе брикета или в части брикета, смежного с основным

0 металлом. Применение любых присадок в брикете может достигатьс путем нанесени сло одного или больше материалов- присадок на или в брикет, через его внутренние отверсти , промежутки, каналы,

5 пустоты и тому подобное. Приемлемым способом применени любого материала присадки вл етс просто пропитывание всего сло . Источник присадки может быть также образован путем помещени прочного тела

0 присадки в контакте между по крайней мере частью поверхности основного металла и брикета. Например, тонкий лист кремнесо- держащего стекла (полезный как присадка дл окислени основного металла алюми5 ни ) может быть помещен на поверхность основного металла.

Дополнительно, присадки, сплавленные с основным металлом и/или нанесенные снаружи на основной металл, могут

0 быть увеличены с помощью присадки(ок), примененных в брикете. Таким образом, люба недостаточность концентрации присадок , введенных в основной металл и/или нанесенных снаружи на основной металл,

5 может быть устранена путем дополнительной концентрации соотбетствующей(их) до- бавки(ок), нанесенных на брикет и наоборот.

Полезные присадки дл основного металла алюмини , в частности, с использованием воздуха как окислител , включают в себ , например магний и цинк в комбинации друг с другом или в комбинации с другими присадками, описанными ниже. В концентраци х каждого между 0,1 и 10 мас.% от общего веса результирующего легированного металла. Концентрации в этом диапазоне инициируют рост керамики, усиливают перенос металла и благопри тно вли ют на морфологию роста продукта реакции окислени . Другими присадками вл ютс , например, кремний, германий, олово и свинец, особенно, когда используетс в комбинации с магнием или цинком, при концентраци х каждой в диапазоне от 0,5 до 15 мас.% всего сплава, однако более желательные кинетика роста и морфологи роста достигаютс с концентраци ми присадок в диапазоне 1-10 мас.% от всего сплава основного металла. Свинец обычно ввод т в основной металл на базе алюмини при температуре по крайней мере 1000°С, чтобы сделать допуски в отношении его низкой растворимости в алюминии, однако добавление другого легирующего компонента, например олова будет увеличивать растворимость свинца и даст возможность ввести легирующий материал при более низкой температуре.

В .случае основного металла алюмини и воздуха в качестве окислител , полезные комбинации присадок, в частности, включают в себ магний и кремний или цинк и кремний. В этих примерах предпочитаема концентраци магни находитс в диапазоне от 0,1 до 3 мас.%, и в случае цинка - диапазон от 1 до 6мас.%, а в случае кремни диапазон составл ет от 1 до 10 мас.%. Полезными в сочетании с алюминием, когда воздух используетс в качестве окислител вл ютс натрий, литий, кальций, бор, фосфор и иттрий, которые могут использоватьс по отдельности или в комбинации с одной или больше других присадок в зависимости от окислени и условий проведени процесса . Натрий и литий могут использоватьс в очень небольших количествах типично 100- 200 частей на миллион. Редкоземельные элементы, как церий, лантан, празеодим, неодим и самарий также вл ютс полезн.ы- ми присадками, особенно, когда используютс в комбинации с другими присадками.

Нанесенное покрытие или слой присадки вл етс тонким по отношению к толщине тела основного металла, и рост или образование продукта реакции окислени в проницаемом брикете распростран етс по существу за слой присадки, т.е. за глубину нанесенного сло присадки. Такой слой материала присадки может наноситьс путем

окрашивани , погружени , просеивани через шелковое сито, испарени или другим способом, из жидкой или пастообразной массы, или путем разбрызгивани , осажде5 ни или же в виде твердого тонкого листа или пленки. Материал присадки может, но не об зательно, содержать любое органическое или неор ганическое св зующее вещество , носитель, растворитель и/или

0 загуститель.

Было установлено, что керамическа структура может формироватьс при использовании основного металла на базе алюмини и воздуха или кислорода в каче5 стве окислител путем использовани МдО в качестве присадки в количестве больше ОД)008 г присадки на грамм основного металла , подвергающегос окислению, и больше 0,003 грамма присадки на квадратный

0 сантиметр поверхности основного металла, на которую наноситс МдО. Оказалось, что до некоторой степени увеличение количества материалов присадок будет снижать врем реакции, необходимое дл образовани

5 керамического композитного материала, но это будет зависеть от таких факторов, как тип присадки, основной металл и услови реакции.

Когда основной металл алюминий внут0 ри легирован магнием, и окисл ющей средой вл етс воздух или кислород, было отмечено, что магний по крайней мере частично окисл етс из сплава при температурах от 820 до 950°С. В некоторых случа х

5 систем, легированных магнием, магний образует оксид магни и/или шпинель алюмината магни на поверхности расплавленного алюминиевого сплава и во врем роста такие магниевые соединени остают0 с главным образом на начальной оксидной поверхности сплава основного металла (т.е. поверхности инициировани ) при росте керамической структуры. Таким образом, в таких легированных магнием системах

5 структура на базе оксида алюмини образуетс отдельно от относительно тонкого сло шпинел алюмината магни на поверхности инициировани . При необходимости эта поверхность инициировани может легко

0 устран тьс путем шлифовани , фрезеровани , полировани или очистки дробью.

Изобретение ниже иллюстрируетс приведенными примерами, которые даны только в цел х иллюстрации, а не ограниче5 ни обьема изобретени .

П р и м е р 1. Был получен брикет размером 3 дюйма по наружному.диаметру, толщиной 3/16 дюйма с центральным шпоночным отверстием. Брикет был подго товлен традиционным способом, из частиц

карбида кремни (70 мас.% 500 гритт и 30 мас.% 220 грит)и 20 мас.% раствора органического св зующего вещества (в отношении 4 к 1 стол рного кле Элмера к воде). Масса вливалась в кремниеворезиновую изложницу и затем высушивалась до затвердевани . Затем из резиновой изложницы изымалась форма твердой звездочки.

Цилиндрическа плита три дюйма в диаметре 32 из алюминиевого сплава, обозначенного 380.1 (фирмы Бельмонт металс инк, имеющего идентифицированный состав , по весу 8-8,5% кремни , 2-3% цинка и 0,1% магни в качестве активных присадок, и 3,5% меди, а также железа, марганца и никел , но содержание магни иногда было выше, чем в диапазоне 0,17-0,18%), легированный дополнительным свинцом 6%, устанавливалс в контакте с поверхностью брикета. Отливку и в контакте с поверхностью плиты устанавливают из того же сплава 380.1 дл образовани достаточного количества сплава дл обеспечени полной инфильтрации брикета. Комбинаци цилиндрической плиты и отливки весила 100 г. Система (брикет и сплавы) покрывалась на всех используемых поверхност х водной суспензией штукатурного гипса (товарный знак бондекс, содержащий около 35% (вес) карбоната кальци , производства Бондекс интернейшнл, Сент-Люис, МО), дл предотвращени перероста геометрии брикета керамической матрицей.

Покрытие штукатурным гипсом затвердевало , и покрыта заготовка полностью погружалась в слой частиц глинозема (EI Алундум производства Нортон компани, 90 грит), помещенного в огнеупорном тигле,

Система нагревалась в атмосфере воздуха от начальной температуры 200°С со скоростью 250°С/час до конечной температуры 1000°С, при которой она поддерживалась в течение 66 часов в атмосфере воздуха. Печь затем охлаждалась с той же скоростью, и проба бралась примерно при 600°С. Операци привела к образованию керамического композитного материала, содержащего матрицу из глинозема (как подтверждаетс анализом дифракции порошка в рентгеновских лучах этого материала ), полностью замуровавшей (поглотившей в себ ) частицы карбида кремни звездочки до покрытых штукатурных гипсом границ брикета. Избыток алюмини , приставшего к поверхности звездочки, и дегид- рированный слой гипса устран лись механически с образованного композитного издели , Полученна керамическа звездочка показала высокую точность

воспроизведени формы брикета и имела твердость по шкале А Роквелла 79.8.

П р и м е р 2. Два брикета размером 2 и 1/4 квадратных дюйма и толщиной 1/4-3/8

дюйма были подготовлены с содержанием 95 мас.% частиц глинозема (Е38 Алундум производства Нортон ко., размер 90 меш) и 5 мас.% двуокиси кремни . Брикетам была придана форма, сначала путем смешивани

с органическим св зующим (Авецил РН- 105 производства FMC Со), затем путем прессовани состава под давлением 7900 фунт/дюйм2 дл получени указанной геометрий , и проведени на заключительном

этапе предварительного обжига этих брикетов при 1375°С в течение 24 ч. Каждый из двух брикетов помещалс на верхнюю часть сло частиц глинозема (Е38 Алундум Нортон размер 24 меш), содержащемс в огнеупорном резервуаре. Два блока размером 2 квадратных дюйма на толщину 1/2 дюйма из алюмини , имеющие разные составы сплава, использовались в качестве основного металла, каждый один помещалс на верхнюю часть каждого брикета. Два использованных сплава были 99-процентный чистый алюминий,и сплав 380.1 (имеющий номинальный состав, описанный в примере 1, без дополнительных 6% свинца).

Вышеприведенные две системы нагре- вались до выбранной точки температуры 900°С в атмосфере воздуха в течение 36 часов, врем достаточное дл керамической матрицы а-глинозема дл полной инфильтрации брикета до противоположной определенной границы, Образование керамической матрицы а-глинозема подтверждалось анализом дифракции порошка в рентгеновских лучах.

После исследовани тела,образованного 99-процентов чистого алюмини , и тела, образованного из сплава 380.1, керамическа матрица о-глинозема в каждом случае полностью пронизывала брикет. Перерост

границ брикета керамической матрицей ограничиваетс е отношении передней части брикета, выставленной дл наслаивани частиц глинозема и различной по степени между двум системами. Образец, в котором использовалс предшествующий продукт в виде 99-процентного чистого алюмини , показал пренебрегаемо незначительный перерост границы брикета керамический матрицей в слое наполнител ,

который мог быть легко удален небольшой обработкой на станке или шлифованием.

Так как керамическа матрица в результате окислени сплава 380.1 очевидно требовала меньше времени дл пропитывани

брикета, в течение того же времени реакции второй керамический состав имел значительный перерост. Поэтому точность воспроизведени может быть достигнута путем управлени реакцией, чтобы не образовывалс рост керамической матрицы за определ емой границей брикета.

Примерз. Брикет имеющий в разрезе трапецеидальную форму (толщины 1 и 3/4 дюйма и имеющий пр моугольную грань А размером 8 и 7/16 дюйма на 2 и 1/2 дюйма и пр моугольную грань размером 8 и 5/8 дюйма на 2 и 3/4 дюйма) был отлит традиционным способом из смеси, содержащей 32 мас.% частиц глинозема (Е 57 Алундум фирмы Нортон ко. размером 1000 меш) 35 мас.% двуокиси кремни (размер 500 меш), 0,5 мас.% кремни , 0,5 мас.% силиката натри (вводилс как предварительно растворенное вещество в воде, используемый дл суспензировани смеси брикета, как описано ниже) и 32 мас.% св зующего вещества Гринкаст 94 (производства А.П. Грин ре- фракториз ко. Мехико МО, размером 100 меш и менее). Вышеназванна смесь суспензировалась в воде (содержащей вышеуказанное количество растворенного силиката натри ) и выливалась в форму, имеющую указанную геометрию. Смесь высушивалась на воздухе и извлекалась из формы как жесткое трапецеидальное тело. На грани брикета было написано слово Лан- ксайд, и брикет обжигалс в атмосфере воздуха при температуре 1000°С в течение 1 часа.

Два стержн /бруска из сплава, выпускаемого промышленностью, 5052 (имеющий номинальный весовой состав 2,5% магни , и примерно 1 % всех в совокупности остальных видов компонентов, как железо, хром, кремний и медь), и один стержень/брус и 99%-ного чистого алюмини , каждый размером 8 и 1-2 дюйма длины, 2 и 1/2 дюйма ширины и 1/2 дюйма толщины, были установлены таким образом, что стержень из чистого алюмини был между двум стержн ми из 5052, и эта стопа помещалась на верхнюю часть -тонкого сло частиц карбида кремни (размер 24 меш), расположенного в огнеупорном сосуде. Трапецеидальный брикет помещалс на верхней части стопы стержней из алюминиевого сплава, и таким образом весь вес брикета поддерживалс стопой из металлов. Затем тигель наполн лс частицами карбида кремни (размер 14 меш), чтобы полностью покрывать металл алюмини , но обеспечива п ти поверхност м брикета, не наход щихс в контакте с металлом алюминием,

возможность оставатьс выставленными в атмосферу воздуха.

Вышеназванна система помещалась в печь (котора вентилировалась потоком воздуха ) и нагревалась в течение. 5 часов до температуры реакции 1000°С. Печь поддерживалась при -температуре реакции в течение 144ч. Печь охлаждалась до окружающей температуры и вновь нагревалась до 1000°С

0 в течение дополнительных 6 часов дл полной инфильтрации брикета.

Расплавленный металл алюминий реагировал с окислител ми (парообразный окислитель и твердые окислители, как дву5 окись кремни ), образу керамическую матрицу а-глинозема, котора пропитывала брикет и тем самым замуровывала частицы композиции брикета. Образование керамической матрицы продолжалось полностью

0 до поверхностных границ брикета и по существу продолжалась в этих определ емых границах. Исследование композитного издели показало высокую точность воспроизведени по сравнению с брикетом, как

5 подтверждение чистого воспроизведени лишь с пренебрегаемо незначительным переростом со стороны керамической матрицы .

Вышеизложеннное вл етс иллюстра0 цией варианта реализации насто щего изобретени , где композици брикета способствует окислению расплавленного основного металла предпочтительно в границах брикета. Такое предпочитаемое окис5 ление помогает управл ть переростом границ брикета керамической матрицей. Полученное таким образом тело представл ет керамическое изделие заданной формы , сохран ющее геометрию трапецеи0 дальнего исходного брикета.

Claims

Формула изобретени 1. Способ изготовлени композиционного материала, включающий приведение в контакт массы исходного металла из группы

5 SI. Ti, Zr, Hf, Sn, Zn, легированный алюми- ний с наполнителем, проницаемым дл металла и газообразной среды и инертным в услови х проведени процесса по отношению к металлу и продукту его взаимодейст0 ви с газообразной средой, нагрев в газообразной среде до температуры, превышающей температуру плавлени металла, но меньшей температуры плавлени продукта его взаимодействи с газообразной

5 средой, и выдержку, обеспечивающую миграцию продукта взаимодействи в сторону газообразной среды до полной пропитки наполнител , отличающийс тем, что, с целью получени издели сложной формы, материал наполнител предварительно

21 177625422

формуют в виде шаблона, соответствующе-5. Способ по пп. 1-3, о т л и ч а ю щ и йго форме будущего издели .с тем. что в число участников процессе
2.Способ по п. 1,отличающийс дополнительно ввод т ускоритель процес- тем, что в качестве материала наполнител са. наносимый в виде сло на поверхность используют по крайней мере один компо-5 металла и/или вводимый в виде дополни- нент из группы АЬОз. SIC, , AIM,тельного компонента в материал наполни- MgAteCM, NIAteCM. ВаТЮз, TIB2 и Sn02.тел .
3.Способ по п. 1,отличающийс 6. Способ по пп. 1 и 5, о т л и ч а ю тем, что материал шаблона используют вщ и и с тем, что в качестве ускорител виде частиц любой формы размером 16-10 процесса используют по крайней мере один 1000 мкм.элемент из группы NI, 2п, Р, SI, Сг и Мд.
4.Способ по° пп. 1 и 2, от л ича ю-7. Способ по п. 1, от л и ч в ю Щи и с щ и и с тем, что алюминий легировантем, что в качестве газообразной среды ис- двум или более компонентами из группыпользуют кислород, воздух, азот, формимг- Sl, Mg, Mn, Mi, Zn. Sn. Fe и Си.15 газ, СО/СО2, CH«, Ha/HzO.