RU1807915C

RU1807915C - Способ получени композиционного керамического материала

Info

Publication number: RU1807915C
Application number: SU874203281A
Authority: RU
Inventors: С.Ньюкирк Марк; Р.Вайнштейн Джерри
Original assignee: Ланксид Текнолоджи Компани Лп.
Priority date: 1986-09-16
Filing date: 1987-09-14
Publication date: 1993-04-07
Also published as: YU171887A; FI873882A0; MX170549B; KR880003874A; YU46773B; FI873882A; NO873792D0; IL83747A; PL156553B1; DD278753A5; NO176838C; BG47029A3; AU7818687A; FI86410B; NO176838B; DK480787D0; PH24629A; JPS6379766A; ZA876907B; CS276729B6

Abstract

Сущность изобретени : берут первую жесткую керамическую заготовку, содержащую поликристаллический продукт реакции окислени , полученный путем окислени первого расплавленного исходного металла первым окислителем и имеющий поры, доступ к которым по крайней мере частично имеетс с одной или более поверхностей заготовки. В контакте с первой керамической заготовкой размещают второй исходный металл и осуществл ют реакцию его окислени с помощью парообразного окислител . При этом формируют второй поликристаллический продукт реакции окислени в порах первой керамической заготовкой . 9 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.

Description

ел

с

Изобретение относитс к способу преобразовани первой жесткой керамической структуры, содержащей первый поликристаллический материал, перемещающийс с вторым поликристаллическим материалом, который входит в некоторые поры первой кристаллической структуры. Изобретение относитс к жестким керамическим структурам , образованным в результате реакции окислени первого и второго исходного металла .

Целью изобретени вл етс повышение плотности и улучшение физико-механических свойств керамического материала.

На фиг. 1 показан общий вид керамического материала, имеющего промежуточные поры и включени металла: на фиг. 1,а - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 2 - частичный разрез керамического материала по фиг. 1 после удалени части металлических включений; на фиг. 3 - керамический материал в инертной ванне, помещенной в тигель, который должен быть помещен в печь дл выпаривани включений металла; на фиг. 4 - керамический материал, погруженный в растворитель дл удалени металлических включений; на фиг. 5.-соединение первого керамического материала, на который помещен второй исходный металл, помещенное в инертную ванну и тугоплавкий сосуд; на фиг. 6-10 - фотографии с увеличением 400 поперечного сечени образцов.

В соответствии с данным изобретением первый керамический материал изготавливаетс пористым/Поры по крайней мере частично открыты или к ним имеетс доступ с наружной поверхностью (или поверхностей ), или этот доступ обеспечиваетс путем последующей обработки. Значительное количество промежуточных пор заполнено,

00

о XI ю

ел

пропитано, пронизано вторым поликристаллическим материалом, который объедин етс с первым, благодар чему преобразуютс , улучшаютс или по вл ютс новые свойства первого керамического материала. Хот ниже описано изобретение с алюминием в качестве первого и второго исходного материала, должно быть пон тно , что могут использоватьс и другие металлы , такие как кремний, титан, олово, цирконий, гафний.

Как показано на фиг. 1, вначале берут жесткую заготовку из первого поликристаллического керамического материала, которую изготавливают любым способом, описанным в прототипе. В соответствии с этим первый исходный металл, например алюминий, используетс в качестве заготовки дл первого продукта реакции окислени . Первый исходный металл расплавл ют при температуре, близкой к температуре среды первого окислител . При этой температуре или внутри этого температурного диапазона первый расплавленный исходный металл реагирует с окислителем, образу первый поликристаллический продукт реакции окислени . По крайней мере часть первого продукта реакции окислени находитс в контакте и между расплавленным первым исходным металлом и первым окислителем, при этом первый расплавленный исходный металл проходит через первый продукт реакции окислени и входит в соприкосновение с первым окислителем. Благодар этому первый продукт реакции окислени продолжает образовывать промежуточное вещество между первым окислителем и ранее образованным первым продуктом реакции окислени . Реакци продолжаетс в течение времени, достаточ- ногодл образовани первого поликристаллического керамического материала 2, содержащего первый продукт реакции окислени , имеющий поры 3, и/или промежуточные металлические вкраплени 4 (фиг. 1,а). Промежуточные металлические вкраплени 4, которые далее дл простоты называютс металлом или металлическими включени ми 4, содержат неокисленные составл ющие исходного металла и могут содержать катализатор или другие металлические вкраплени . Промежуточные поры 3 и промежуточные металлические вкраплени 4 соединены в одном или более измерени х и распределены по части или по всему объему первого поликристаллического материала. Эти поры 3 и металл 4, образуемые при формировании первого поли кристаллического продукта реакции окислени , по крайней мере частично открыты или к ним

имеетс доступ по крайней мере с одной поверхности 5 первой керамической структуры 2 или этот доступ может быть обеспечен путем обработки или раскола структуры. Некоторые из пор 3 и частиц металла 4 могут быть изолированы, как острова. Объем пор 3 (промежуточных и изолированных) и металлических вкраплений 4 (промежуточных и изолированных) зависит в значительной степени от таких факторов, как температура, врем , катализаторы, тип первого исходного металла, используемого при изготовлении первой керамической структуры 2.

В предпочтительном варианте осуществлени изобретени вс или больша часть включений металла 4 должна быть удалена дл получени первой жесткой заготовки из керамического материала 2, имеющего промежуточные поры 3, распределенные по части или по всему объему поликристаллического материала, как показано на фиг. 2. Дл удалени всей или большей части включений металла 4 реакци окислени должна быть завершена. Поэтому, когда металлическа фаза полностью прореагирует или будет близка к этому при образовании продукта реакции окислени , металлические включени 4 выт гивают из керамической структуры 1, оставл промежуточные поры 3 на их месте, и окисл ют дл получени дополнительной керамики на его поверхности (поверхност х) 5. Когда процесс приближаетс к завершению, продукт реакции окислени будет занимать больший объем пор 3. Например, заготовка их первого керамического материала, сформированна из алюмини , обрабатываемого при 1125°С, может содержать 20-30 об. % металла 4 и 2-5 об. % пор 3. Когда рост останавливаетс , до того как весь первый исходный металл окислитс , при завершении окислени всего исходного металла керамика может содержать примерно 1-3 об. % металлических вкраплений 4 и примерно 25-30 об. % (или больше) пустот или пор.

Второй метод удалени металлических включений 4 заключаетс в том, что заготовку из первого керамического материала рас- полагают в инертной ванне 6, которую помещают внутрь тигл или другого жаропрочного контейнера 7 (см. фиг. 3). Затем контейнер 7 и его содержимое помещают в печь с инертной атмосферой (например, с аргоном или любым другим инертным газом ) и нагревают до температуры, при которой металлические вкраплени 4 сильно испар ютс . Эта температура или интервал температур завис т от таких факторов. состав первого исходного металла, врем

нагревани и окончательный состав металлических вкраплений 4 в первом керамическом материале. При подход щей температуре включени металла 4 испар ютс из керамической структуры, но дополнительного продукта реакции окислени образовыватьс не будет из-за инертной атмосферы . За счет поддержани этой температуры включени металла продолжают испар тьс и удал тьс из печи с помощью вентил ции.

Третье средство удалени включений металла 4 заключаетс в том, что заготовку из первого керамического материала 2 погружают в подход щую щелочь 8 и раствор ют включени металла 4 (см. фиг. 4). В качестве растворител 8 может быть использована люба кислотна или каустико- ва жидкость или газ, состав которых зависит от таких факторов, как состав металла 4, врем погружени и т.п. В случае использовани в качестве первого исходного металла алюмини , когда включени ми металла 4 вл ютс включени алюмини , было обнаружено, что подход щим кислотным раствором вл етс HCI. Если керамический материал содержит кремний, то приемлемым вл етс раствор NaOH и/или КОН в качестве каустикового раствора. Врем погружени заготовки керамического материала в щелочь 8 определ етс количеством и типом металлической составл ющей 4 и местом расположени включений металла 4 относительно поверхности (поверхностей ) 5. Чем глубже расположены включени металла 4 в керамической заготовке 2, тем дольше такой металл выщелачиваетс и тем дольше заготовка из керамического материала должна находитьс в щелочи 8. Данный этап удалени металла может быть ускорен путем нагревани щелочи или путем перемешивани ванны с щелочью. После того как заготовка из первого керамического материала 2 вынута из щелочи 8, ее необходимо промыть водой дл удалени остатков щелочи.

После того как будет удален весь металл 4, получают заготовку с первой жесткой керамической структурой 2, котора содержит поликристаллический продукт реакции окислени , обра зованный при окислении расплавленного исходного металла окислителем и имеющий промежуточные поры 3, которые занимают примерно 5-45 об. % заготовки с первой керамической структурой 2.

Второй поликристаллический материал образуют из второго исходного металла путем его окислени во втором парообразном окислителе в процессе, аналогичном процессу , примен емому при получении заготовки с первой кристаллической структурой, при этом второй исходный металл в заготовке с первой керамической структурой ориентированы так по отношению друг к другу, что образующийс второй поликристаллический материал пропитывает по крайней мере часть пор первого кристаллического тела. Процесс пропитки может быть ограни0 чек первой зоной заготовки с первой керамической структурой Либо может проходить по всему объему заготовки с первой керамической структурой. Когда процесс проникновени второго поликристаллического

5 материала ограничен первой зоной загото- ви с первой керамической структурой, втора непропитываема зона первой керамической заготовки содержит поры, не подверженные проникновению второго по0 ликристаллического материала. Втора непропитываема зона, следовательно, имеет большую пористость, чем перва зона керамической заготовки, котора подверглась пропитке.

5 Другой технологией вл етс удаление металлических вкраплений 4 только из первой зоны первой керамической заготовки 2 или удаление более полезных вкраплений из первой зоны, чем из второй зоны первой

0 керамической заготовки 2. Это может быть надежно обеспечено, например, путем погружени только части первой керамической заготовки 2 в щелочь 8 (фиг. 4).

Второй поликристаллический материал

5 формируют по технологии, описанной в прототипе . Данный способ в качестве примера приведен на фиг. 5. Перва керамическа заготовка 1 помещена в инертную ванну 6, установленную в жаропрочном контейнере

0 7. Второй исходный металл 9 расположен сверху на второй керамической структуре 1. Поры 3 выход т на поверхность 5 первой керамической заготовки 1. Сборку, показанную на фиг. 5, нагревают до требуемой тем5 пературы, котора выше точки плавлени второго исходного металла 9, но ниже температуры как первого продукта реакции окислени первой керамической заготовки 1, так и второго продукта реакции окисле0 ни второго исходного металла 9. Эту сборку нагревают в окисл ющей среде, например в воздушной атмосфере, и за счет своего роста второй поликристаллический материал проникает в поры 3 первой кера5 мической структуры 1. Рост продолжаетс до заполнени пор до требуемой глубины, например, через всю первую керамическую структуру 9 или до требуемой глубины в ней, После завершени реакции сборку охлаждают и полученную керамическую композитную структуру отдел ют от наполнител и остающегос второго исходного металла 9, если это необходимо.

Дл иллюстрации способа по насто щему изобретению привод тс следующие примеры.

Пример 1. Керамические материалы, содержащие промежуточные поры, были получены по способам, описанным в прототипе . Следовательно, пр моугольные слитки , каждый из которых имеет размеры 101,6x228,6x38,1 мм, были приготовлены из алюминиевого сплава 5052, содержащего 3-4% магни и не более 0,5% кремни и железа. Каждый слиток отдельно размещен в засыпке из частиц окиси алюмини в жаропрочном тигле. Поверхность алюминиевого слитка 101,6x228,6 мм была расположена от поверхности ванны на рассто нии , приблизительно на 6,4 мм ниже отверсти тигл . Тонкий слой частиц SI02 крупностью 140 был размещен на поверхности слитка в качестве катализатора дл ускорени реакции.

Тигель и его содержимое были помещены в печь, где их нагревали в воздухе при 1125°С и задерживали в течение 160 ч. За это врем AI полностью окисл етс , за счет чего возникает керамика альфа-окиси алюмини с промежуточными порами. Охлаждение продуктов окислени металла производ т в течение 10ч.

Высока пористость продукта окислени была подтверждена исследовани ми микроструктуры отполированного поперечного сечени , как показано на фиг. 6 на фотографии при увеличении 400, на который серый материал представл ет собой окись альфа-алюмини , светлый материал представл ет собой либо кремний ( ркий), либо алюминий (пестрый), а темные области представл ют собой поры. Содержание кремни или алюмини оцениваетс примерно в 3 об. %.

Затем был продемонстрирован процесс пропитки полученного керамического материала продуктом реакции окислени с использованием двух различных исходных сплавов алюмини . Дл этого из пористой керамики были вырезаны бруски размерами приблизительно 50,8x19,05x12,7 мм. Расположение нарезаемых брусков выбрано так, чтобы исключить присутствие слоев с ребрами на исходной внутренней поверхности керамики или любых других слоев повышенной плотности на наружной поверхности . Заготовки из сплава алюмини , имеющие размеры 50,8x25,4x12,7 мм, были размещены по отдельности наверху пр моугольных брусков керамики. Причем грань

керамической заготовки 50,8x19,06 мм контактирует с гранью заготовки из металла 50,8x50,8 мм.

Использованы два различных сплава

алюмини : сплав 712,2, содержащий 5,0- 6,5% Zn, 0.5-0,65% Mg, 0,4-0,6% Cr, 0,4% Fe, 0,25% Си, 0,15-0,25% Ti, 0,15% Si и 0,1 % Mn, и сплав 380,1, содержащий 7,5-9,5% Si, 3,0-4,0% Си, 2,97% Zn, 1,0% Fe, 0,5% Mn,

0,5% Ni, 0,35% Sn и 0,1% Mg. Однако было обнаружено, что сплав 380,1, используемый в данной работе, содержит примерно 0,17- 0,18% Mg. Полагают, что необходимо увеличить содержание Mg дл ускорени реакции

окислени .

Сборки-керамика (сплав, описанный выше ) поместили в раздельные жаропрочные тигли и окружили слоем волластонита толщиной примерно 12,7 мм. Волластонит используетс как барьер дл удержани расплавленного сплава и ограничени реакции окислени пространством пор керамической структуры.

Тигли и их содержимое поместили в

печь и нагрели в воздушной атмосфере до 900°С в течение 5 ч. Образцы выдерживали при этой температуре в течение 30 ч и затем охладили до комнатной температуры в течение 5 ч. Охлажденные керамические

образцы были извлечены из формы и просмотрены на отсутствие видимых изменений внешнего вида и геометрических размеров.

Керамические образцы были рассечены , закреплены, отполированы и установлены дл оптического наблюдени . Проверка показала хорошее проникновение керамики в поры, как сплава 380,1, так и 712,2. На фиг. 7 и 8 показаны результаты дл сплавов

380,1 и 712,2 соответственно при 400-кратном увеличении. Обратите внимание на то, что продукт второй реакции заполн ет поры исходной керамики (фиг. 6). Результатом вл етс значительно более плотна керамика

по сравнению с той керамикой, в которой имеютс только изолированные поры.

Пример 2. Этот пример показывает проникновение продукта реакции окислени в поры керамического материала, приготовленного при иных услови х, чем в примере 1. В данном случае пористое тело было изготовлено путем окислени сплава, содержащего (по весу) 10% кремни , 3%

магни , остальное - алюминий, при 1250°С в течение 80 ч. Во всем остальном процесс приготовлени исходной пористой керамики аналогичен процессу по примеру 1, Микроструктура этого материала показана на. фиг. 4 при увеличении 400.

Проникновение продукта реакции окислени в поры следовало за процессом по примеру 1 с использованием сплава 712,2 при 900°С. На фиг. 10 показано поперечное сечение полученного материала при увеличении 400. Было обнаружено, что процесс проникновени не завершалс в течение 30 ч при 900°С. На фиг, 10 показано различие между пропитанным и непропитанными материалами (соответственно слева и справа фиг.). Как и в примере 1 обнаружено, что пропитанный материал содержит продукт реакции окислени , заполн ющий поры первой керамической заготовки,

Как указано, первую керамическую заготовку изготавливают из подход щего первого исходного металла по способу, описанному в прототипе. В одном из предпочтительных вариантов осуществлени насто щего изобретени композит изготавливают с использованием массы или сло наполнител , расположенного вблизи и в контакте с поверхностью первого исходного металла, и процесс продолжаетс до тех пор, пока продукт реакции окислени не проникнет через слой наполнител до его границ, выполненных из подход щего материала . Масса наполнител , котора предпочтительно имеет форму брикета, вл етс достаточно пористой или проницаемой дл , окислител в случае использовани парообразного окислител . Наполнитель вл етс проницаемым и контактируете первым исходным металлом, обеспечива рост продукта реакции окислени внутри наполнител . В другом варианте первый окислитель может быть помещен внутри наполнител или может содержатьс в наполнителе. Наполнитель может содержать любой подход щий материал, такой как частицы, порошок, пластинки, полые частицы, сферы, спирали и т.п., которые обычно вл ютс керамическими материалами. Более того, слой наполнител может содержать решетку , укрепленную стержн ми, пластинами или провдлокой. Обычно эти поликристаллические керамические структуры, включа керамические композиты, поликристаллические продукты реакции окислени , соединены между собой, а поры и/или металлические вкраплени по крайней мере частично соединены между собой и к ним имеетс доступ с наружной поверхности керамической структуры.

Катализатор, используемый с одним из исходных металлов или с обоими, может в некоторых случа х существенно улучшить процесс окислени , особенно в процессе, где примен етс в качестве исходного металла алюминий. Действие катализатора зависит от р да таких факторов, которые не завис т от материала катализатора. К таким факторам относ тс , например, комбинаци частиц катализатора, когда два или бо- 5 лее катализаторов используютс вместе, будучи сплавленные с исходным металлом, концентраци катализатора (катализаторов ), окислительна среда и услови протекани процесса.

0 Присадка или присадки, используемые вместе с первым и/или вторым исходным металлами 1) могут быть сплавлены с исходным металлом, 2) могут быть нанесены по- крайней мере на часть поверхности исход5 ного металла или 3) при использовании наполнител могут быть внесены как часть материала наполнител или брикета или в любой комбинации по двум или более технологи м (1), (2), .(3). Например, присадка в

0 виде сплава может быть использована сама по себе или в комбинации с второй дополнительной присадкой, При использовании технологии (3), когда в материал наполнител вноситс одна или несколько дополни5 тельных присадок, процесс может функционировать по любому из способов, описанных в прототипе.

При использовании в качестве исходного металла алюмини ив качестве окислите0 л воздуха присадки могут содержать магний, цинк и кремний по отдельности или в комбинации Один с другим, или в комбинации с другими присадками, как описано ниже . Эти металлы или подход щие источники

5 этих металлов могут быть сплавлены с исходным алюминием при концентрации каждого примерно 0,1-10 вес. % от суммарного веса полученного металла с добавками. Эти добавки или подход щие их источники (на0 пример, MgO, ZnO или SlOa) могут также быть использованы в виде внешних добавок к исходному металлу. Следовательно, заготовка с керамической структурой из окиси алюмини может быть получена при ис5 пользовании алюминиево-кремниевого сплава в качестве исходного металла, при использовании воздуха в качестве окислител и при использовании MgO в качестве поверхностной добавки в количестве, боль0 шем чем, примерно, 0,0008 г на грамм исходного металла, который должен быть окислен, или больше чем 0,003 г/см2 поверхности исходного металла, на которую наноситс MgO.

5 Другими присадками, эффективно рабо- тающими с алюминием, окисл емым в воздухе , вл ютс натрий, германий, свинец, олово, литий, кальций, бор, фосфор, иттрий, которые могут быть использованы по отдельности или с другими добавками в зависимости от вида окислител и условий протекани процесса окислени . Редкоземельные элементы, такие как церий, лантан, празодим, неодим и самарий, также пригодны в качестве присадок, особенно когда они используютс в комбинации с другими присадками , Все присадки, как это указано в упом нутых патентных за вках, ускор ют процесс роста продукта реакции окислени алюмини , используемого в качестве исходного металла.

С первым исходным металлом может быть использован твердый, жидкий или парообразный (газ) окислитель или комбинаци этих окислителей, а с вторым исходным металлом - парообразный окислитель. Например ,типичные окислители содержат без ограничений кислород, азот, галогены, серу, фосфор, мышь к, углерод, бор, селен, теллур и их соединени или комбинации, например окись кремни (как источник кислорода), метан, этан, пропан, ацетилен, этилен, пропилен (как источник углерода) и смеси, такие как воздух, Ha/HzO и СО/СО, причем последние (т.е. Нг/Н20 и CO/CCte) примен ютс дл уменьшени активности кислорода.

Хот любой окислитель может быть использован по описанной технологии, парообразный окислитель, который используетс с вторым исходным металлом, предпочтительно использовать и с первым исходным металлом, однако следует осознавать , что в комбинации с первым исходным металлом могут быть использованы два или более вида окислител . Окислитель, используемый дл окислени второго исходного металла, вл етс парообразным окислителем такого же вида, как и дл окислени первого исходного металла или по крайней мере зоны заготовки, полученной из первого исходного металла, котора должна быть пропитана вторым поликристаллическим материалом, должна быть проницаема или сделана проницаемой путем последующей обработки. Парообразный окислитель проходит первую керамическую заготовку или определенную ее зону и вступает в контакт с вторым исходным металлом, окисл его и образу второй поликристаллический материал внутри пор первой керамической заготовки. В том случае , когда парообразный окислитель используетс совместно с первым исходным металлом и наполнителем, наполнитель вл етс проницаемым дл парообразного окислител , благодар чему парообразный окислитель проникает до дна наполнител и вступает в контакт с расплавленным исходным металлом. Термин парообразный

окислитель означает испаренный или обычно газообразный материал, который создает окисл ющую атмосферу. Например , кислород или смесь газов, содержаща

кислород (включа воздух), вл ютс предпочтительными парообразными окислител ми , когда продуктом реакции вл етс окисел, при этом воздух вл етс более предпочтительным по экономическим соображени м , Когда указываетс , что окислитель содержит конкретный газ или пар, это означает, что окислитель, в котором этот газ или пар находитс в единственном числе, преобладает или по крайней мере вл етс

преимущественным окислителем исходного металла при заданных услови х протекани процесса окислени . Например, хот преобладающей составл ющей воздуха вл етс азот, кислородна составл юща вл етс

единственным окислителем исходного металла , поскольку кислород значительно более сильный окислитель, чем азот. Следовательно, воздух надо называть кис- лородосодержащий газовый окислитель, а

не азотосодержащий газовый окислитель. Примером азотосодержащего газового окислител , использованного в данном описании и формуле, вл етс газ, который содержит по объему около 96% азота и около

4% водорода.

В том случае, когда вместе с первым исходным металлом и наполнителем используетс твердый окислитель, он обычно распределен по всему объему наполнител

или по той его части, в которой содержитс керамический композитный материал в виде частиц, перемешанных с наполнителем, либо в виде покрыти на частицах наполнител . Итак, может быть использован любой

подход щий твердый окислитель, содержащий такие элементы, как бор или углерод, или разлагаемые соединени типа двуокиси кремни или некоторых боридов с меньшей термодинамической стабильностью, чем бориды продукта реакции с исходным металлом . Например, при использовании с алюминием бора или разлагаемых боридов в качестве твердого окислител продуктом реакции окислени вл етс борид алюмини .

В некоторых случа х реакци окислени первого исходного металла может протекать настолько быстро при использовании твердого окислител , что продукт реакции окислени будет стремитьс испаритьс вследствие экзотермической природы реакции. Эта возможность может быть уменьшена за счет микроструктурной однородности керамического тела. Эта быстра

реакци может быть замедлена добавлением в композицию относительно инертных наполнителей, которые имеют малую степень активности. Например, в качестве такого инертного наполнител может быть использовано вещество, которое аналогично продукту реакции окислени .

В том случае, когда вместе с первым исходным металлом и наполнителем используетс жидкий окислитель, этим окислителем пропитывают весь объем наполнител или ту его часть, в которой находитс керамическа структура. Например, наполнитель может быть покрыт окислителем путем погружени в окислитель и таким образом быть им пропитанным. Указание на жидкий окислитель означает, что окислитель находитс в жидкой фазе в ходе протекани реакции окислени , и таким образом х идкий окислител ь может иметь твердую основу, такую как соль, котора расплавл етс в ходе протекани реакции окислени . В другом варианте жидкий окислитель может иметь жидкую основу, например, раствор материала , который используетс дл пропитки части или всего наполнител и который расплавл етс или разлагаетс в ходе реакции окислени , обеспечива необходимую текучесть. Примерами жидких окислителей вл ютс расплавл емые стекла.

Вместе с наполнителем может быть установлен барьер, ограничивающий рост продукта реакции окислени , когда при формировании керамики используетс парообразный окислитель. Этот барьер облегчает формирование керамики с определенными границами. В качестве барьера могут быть использованы материалы, соединени , элементы или подобные средства, ко- торые в ходе протекани процесса по изобретению сохран ют целостность и вл ютс проницаемыми дл парообразного окислител , одновременно.способны ограничивать , приостанавливать, предотвращать дальнейший рост продукта реакции окислени . Дл работы с алюминием могут быть использованы барьеры, содержащие сульфат кальци , силикат кальци и порт- ландский цемент или их смесь, которые обычно нанос т в виде пасты на поверхность материала наполнител . В состав материала этих барьеров могут входить также горючие материалы, которые исчезают при нагревании, или материалы, которые разлагаютс при нагревании с тем, чтобы увеличить пористость и проницаемость барьера. Кроме того, материал барьера может содержать подход щие жаропрочные частицы дл уменьшени разламываний и раскалываний, которые в противном случае возникают в ходе

протекани процесса. Такие частицы имеют такой же коэффициент расширени , что и материал наполнител . Например, если брикет содержит окись алюмини и резуль- 5 тирующа керамика содержит окись алюмини , то в материал барьера могут быть замешаны частицы окиси алюмини желательно с размерами частиц 20-1000, а могут быть и меньше. Другие барьеры содержат

0 жаропрочную керамику или металлические оболочки, которые открыты по крайней мере на одном краю дл пропускани парообразного окислител через наполнитель в соприкосновение с расплавленным исходным

5 металлом.

П р и м е р 3. Этот пример иллюстрирует способ выщелачивани в газовой фазе дл удалени взаимно св занного металлического компонента керамической заготовки

0 до стадии пропитки пор вторым продуктом реакции окислени согласно изобретению. Керамическую заготовку размером примерно 1,865x0,468 дюймов (4,73x1,12 мм), содержащую матрицу из окиси алюмини ,

5 включающую неокисленные компоненты исходного металла, поместили сверху в огнеупорную лодочку, изготовленную из окиси алюмини чистотой 99,8%. Весь блок, состо щий из керамической заготовки и лодочки,

0 загрузили в трубчатую электрическую печь сопротивлени , имеющую проточную атмосферу из HCI и Н2. Газ HCI подавали в количестве 500 ст. куб см/мин, а Н2 - в количестве 20 куб. см/мин, Скорость повышени темпера5 туры в печи составила примерно 300°С/ч, а понижение - примерно 500°С/ч. Образец поддерживали при температуре примерно 375°С в течение примерно 4 ч. После удале-, ни из печи образец взвешивали и было

0 определено, что потери в массе образца составили примерно 19,84% от его веса до выщелачивани . Напротив, лодочка, котора была изготовлена из того же материала, что и керамическа заготовка, но без взаим5 но св занного металла, показала незначительные потери в ее массе. Таким образом, потери в массе керамической заготовки происходили главным образом из-за выщелачивани металла, содержащегос внутри

0 керамической матрицы, а не из-за растворени самой керамической матрицы.

Таким образом, при применении выщелачивающего агента в газообразной фазе можно удалить включени металла из кера5 мического тела и, следовательно, обеспечить пористость, которую можно пропитать вторым продуктом реакции окислени в соответствии с изобретением.

П р и м е р 4. Процедуру, описанную в примере 3, повторили с двум образцами

151807915 16

композиционного керамического материала, полученной в соответствии со способами, содержащего матрицу из окиси алюмини , раскрытыми в прототипе, из сплава исходно- состо щую из пропитанного неизмельченно- го металла, состо щего из 7,5-9,5 sec. % Si, го наполнител С75. Также каждый образец 3,0-4,0% Си, 2,9% Zn, 1,5% Fe, 0,5% Mn, керамического композиционного материала 5 0-5% N1,0,35% ЗпиО, 18% Мд и содержащего содержал металлический компонент, пред- незначительное количество взаимосв зан- ставл ющий собой неокисленные включени ного металла, исходного металла.Друга керамическа композиционна

Образцы керамического композици- заготовка (образец I) состо ла из матрицы онного материала, каждый имеющий размер Ю из окиси алюмини , образованной из сплава 1 см х 1 см и 1 см, поместили на верх сло алюмини с применением воздуха в качестве Алунда 38, размером 24 грит, причем все это окислител , причем матрица окружает мате- содержалось в лодочке из чистотой риал наполнител , состо щий из смеси 95 99,8%. Блок, состо щий из образцов, сло и вес, % алунда 38 с размером частиц 24 грит, лодочки, поместили в трубчатую электриче- 15 полученного от фирмы Нортон Ко и 5 вес. % скую печь сопротивлени , имеющую проточ- коллоидной двуокиси кремни Минусил, ную атмосферу из HCI и Н2. Газ HCI поставл емой американской фирмой Силика подавали в количестве 500 ст. куб. см/мин, Компани ов Беркли Спринт. Дол сплава а Н2 - 20 ст. куб. см/мин.380,1, примен емого дл получени образца

Скорость повышени и понижени тем- 20 была определена химическим анализом в пературы в печи составила примерно соответствии с номинальными техническими 300°С/ч и врем выдержки - примерно 4 ч услови ми дл этого сплава (т.е. он содержит при 1000°С. После удалени из печи образцы 7,5-9,5% Si, 3,0-4,0% Си, 2,0% Zn, 1,5% Fe, взвесили и было определено, что каждый об- 0,5% Мп, 0,5% N1, 0,35% Sn и 0,1% Мд) за разец потер л в массе примерно 11 % от его 25 исключением того, что концентраци Мд со- первоначального веса до выщелачивани . ставл ет примерно 0,17-0,18 мае. %. Счита- Эти потери в массе были результатом удале- етс , что высокий уровень Мд вл етс ни взаимно св занного металла посредст- важным ввиду установленной роли Мд в ка- вом выщелачивани в газовой фазе.честве присадки или катализатора реакции

Таким образом, при применении выще- 30 окислени .

лачивающего агента в газовой фазе можноОба образца содержали взаимосв зан- удал ть взаимно св занный металл из кера- ный металлический компонент, представл - мической композиционной заготовки и, еле- ющий неокисленные компоненты их довательно, получить пористость, которую соответствующих исходных металлов, т.е. можно пропитать вторым продуктом реак- 35 712,2 алюминиевого сплава дл образца I и ции окислени в соответствии с изобретени- сплава 380,1 дл образца II. ем. . Образец погрузили в кип щую коррозиПример 5. Этот пример иллюстрирует онную среду, состо щую из примерно 50 об. % выщелачивание в жидкой фазе дл удалени HCI, остальное дистиллированна вода. металлического компонента из керамиче-40 Образец II погрузили в кип щую корро- ской композиционной заготовки до проведе- зионную среду, состо щую из примерно ни стадии пропитки вторым продуктом 50 об. % HCI и примерно 10 об. % НМОз, реакции окислени в соответствии с за в- остальное дистиллированна вода. ленным способом.Состав растворов кип щей корродируюДва образца керамической композици- 45 Щей среды поддерживали посто нным по- онной заготовки подвергли выщелачиванию средством применени орошений. в растворах дл удалени взаимно св занно-Образцы I и II удал ли из их соответству- го металла, содержащегос внутри загото- ющих корродирующих средств с интервала- вок. Кажда керамическа композиционна ми в 24 ч и взвешивали дл определени заготовка содержала матрицу из окиси алго- 50 степени выщелачивани . Таблица показыва- мини , котора включала материал наполни- ет, что наибольшее выщелачивание отмеча- тел . Перва керамическа композиционна лось в первые 24 часа, а к 96 часам заготовка далее будет называтьс образец I, выщелачивание было минимальное. состо ла из алюминиевой матрицы, выра- Потери в массе образца I и образца II. щенной из алюминиевого сплава 712,2 с при- 55 как показано в таблице, происходит главным менением воздуха в качестве окислител , образом из-за присутстви взаимосв занно- окружающей материал наполнител , кото- го металла внутри образцов, а не из-за соответ- рый состо л из смеси 95 вес. % алунда с ствугащих керамических матриц в образцах, размером частиц 24 грит и 5 вес. % измель- Таким образом, примен выщелачи- взющ/te ченного образца керамической заготовки, агенты в жидкой фазе, можно удалить взаи

несв занный металл внутри керамическойпористость, которую можно пропитать втокомпозиционной заготовки и. следователь-Рым продуктом реакции окислени в соотно образовать пористость, которую можноветствии с за вленным способом дл

заполнить продуктом второй реакции окис-повышени плотности и улучшени физиколени в соответствии с за вленным спосо- 5механических свойств материала, бом.

Claims

Пример 6. Этот пример иллюстрируетФормула изобретени

способ выщелачивани в жидкой фазе дл 1- Способ получени композиционного

удалени взаимосв занного металлическогокерамического материала, включающий

компонента из керамической заготовки до 10контактирование первого исходного металпроведени второй стадии реакции окисле-ла- выбранного из группы, содержащей алюни в соответствии с за вленным способом.миний, кремний, титан, олово, цирконий,

Керамическа заготовка, примен ема вгафний и их сплавы с проницаемой массой

этом примере, содержала матрицу из окисинаполнител , присадкой и окислителем, наалюмини , включающую взаимосв занный 15грев до температуры выше температуры

металлический компонент. Матрица из оки-плавлени первого исходного металла, но

си алюмини была выращена из сплава ис-ниже температуры плавлени продукта реходного металла, содержащего по весуакции окислени и формирование заготовки

7,5-9,5% Si, 3,0-4,0% Си, 2,9% Zn. 1,5% Fe,И3 поликристаллического продукта реакции

0,5% Мп, 0,5% N1, 0,35% Sn и 0,18% Мд, 20окислени , имеющего металлические вклюостальное алюминий. Взаимосв занный ме-чени и П°РЫ отличающийс тем, что,

таллический компонент содержал неокис-с целью повышени плотности и улучшени

ленные компоненты сплава исходногофизико-механических свойств материала,

металла.заготовку из поликристаллического продукОписанную керамическую заготовку 25та реакции окислени формируют с пористопогрузили примерно на 100 ч в кип щий рас-стьга об- % с порами, открытыми по

твор 1 об. % HCI, остальное дистиллирован-крайней мере на одну поверхность заготовна вода.ки а после формировани заготовку дополИсследование образца после его удале-нительно располагают в контакте с вторым

ни из выщелачивающего раствора показал 30исходным металлом, имеющим такой же или

значительное выщелачивание металличе-отличающийс от первого состав, повторно

ского компонента и образование взаимосв -нагревают в присутствии окислител и пр изанной пористости.садки и дополнительно формируют второй

Таким образом, при применении выще-поликристаллический продукт реакции лачивающего агента в жидкой фазе можно 35окислени в порах первого поликристалли- удалить взаимосв занный металл внутри ке-ческого продукта реакции окислени , рамической заготовки и, следовательно,2, Способ по п. 1, отличающийс образовать пористость, которую можно за-тем что ПРИ формировании заготовки заполнить продуктом второй реакции окислени данную пористость заготовки получают пу- в соответствии с за вленным способом. 40тем управлени реакцией окислени или

Пример 7. Этот пример иллюстрируетпутем последующей обработки заготовки,

способ выщелачивани в жидкой фазе дл 3. Способ поп.-1, отличающийс

, удалени взаимосв занного металлическоготем что дополнительное формирование втокомпонента из керамической заготовки доР°го поликристаллического продукта реакстадии пропитки продуктом второй реакции 45Ции окислени в порах провод т в части

окислени в соответствии с за вленным спо-заготовки, а поры другой части заготовки

собом.оставл ют свободными.

Керамический образец типа, описанного4- Способ по п. 1, отличающийс

в примере б, погрузили, примерно на 25 ч втем- что перед контактированием проницакип щий раствор, содержащий 20 об. % 50ёмую массу наполнител формуют в брусок,

NaOH, остальное дистиллированна вода.а при последующем формировании заготовки

Исследование образца после его удале-из поликристаллического продукта реакции

ни из выщелачивающего раствора показалоокислени форму и размеры ее выполн ют

значительное выщелачивание металличе-соответствующими форме и размерам исского компонента с образованием взаимо- 55ходного бруска наполнител ,

св занной пористости.5. Способ по п. 1, отличающийс

Таким образом, примен выщелачива-тем что ПРИ первом и повторном контактиющий агент в жидкой фазе, можно удалитьровзнии первого и второго исходных металвзаимосв занный металл внутри керамиче-лов с окислителем используют окислители

ской заготовки и, следовательно, образоватьразличного состава.

6. Способ по п. 1, отличающийс тем. что при первом и повторном контактировании в качестве исходного металла выбирают сплавы, содержащие алюминий.

7. Способ по п. 1, отличающийс тем, что при повторном контактировании в качестве окислител используют воздух.

8..Способ по п. 1, отличающийс тем, что при первом и повторном контактировании в качестве окислител используют воздух .

9. Способ по п. 1, отличающийс тем, что при первом и повторном контактировании в качестве исходного металла выбиА 3 -3 f

//У

Фиг.1

Vv

A-A

45

cpuala

0

рают алюминий, а при формировании заготовки в качестве первого и второго поликристаллического продукта реакции получают оксид алюмини .

10. Способ по п. 1, отличающий- с тем, что заготовку из поликристаллического продукта реакции окислени формируют с металлическими включени ми, имеющими выход по крайней мере на одну поверхность заготовки, а при последующей обработке заготовку помещают в раствор щелочи по крайней мере дл частичного растворени металлических включений.

j j V

Фиг.г

ЖШ

/ ч

,.v

АУх fs. S

ФигЗ

Фиг. 10