RU1838280C

RU1838280C - Способ получени издели из композиционного материала

Info

Publication number: RU1838280C
Application number: SU884356291A
Authority: RU
Inventors: К Двиведи Ратнеш
Original assignee: Ланксид Текнолоджи Компани, ЛП
Priority date: 1987-08-10
Filing date: 1988-08-09
Publication date: 1993-08-30
Also published as: CN1031694A; NO883412D0; JP2642679B2; PT88228B; CA1318490C; YU47199B; NO883412L; CS276740B6; ZA885836B; CS8805536A2; HUT63132A; DD300642A5; US4886766A; MX166272B; PL274049A1; EP0303552B1; YU151588A; PH25600A; DK444888A; FI883705A

Description

ространственно разделенных стеночных лементов, определ ющих перепускные каалы дл жидкости.

Изобретение представл ет собой дальнейшее усовершенствование технологии олучени самонесущего керамического теа , имеющего разнесенные с промежутками теночные элементы, каждый из которых меет ограниченное поперечное сечение, предел ющее перепускные каналы дл идкости, при этом керамическое тело полчено инверсионным воспроизведением профилированного основного металла.

В соответствии с изобретением предусматриваетс способ получени самонесущего керамического композитного тела, имеющего некоторое количество пространственно распределенных стенок определенного поперечного сечени , обусловливающих в значительной степени непрерывное пропускание жидкости. Эти стеночные элементы обычно инверсионно отображают в противоположных направлени х геометрию позитивной модели. Каждый из клеточных элементов, которые центрированы в осевом направлении, содержит керамическую матрицу, внедренную в наполнитель, и полученную реакцией окислени основного металла с образованием поликристаллического материала, который в значительной мере состоит из продукта реакции окислени основного металла с окислителем и необ зательно одного или более металлов, т.е. неокисленных составл ющих основного металла. Этот метод включает следующие операции: основной металл сформован дл получени цилиндрической модели (как определено ниже), имеющей по меньшей мере одну открытую полость или отверстие, образу при этом поверхности противолежащих стенок, т.е. внутреннюю стенку полости и внешнюю стенку полости. Толщина стенки, котора задаетс при формовании металлической модели, определ ет рассто ние между сте- ночными элементами в конечном изделии. Материал наполнител наложен на поверхности обеих стенок цилиндрической модели . Засыпка материала наполнител , может покрывать всю поверхность каждой стенки или простиратьс только дл заранее определенной части или области, и эта покрыта область будет определ ть площадь стеночных элементов конечного композиционного продукта. Материал наполнител проницаем дл окислител , если требуетс , как например, в том случае, если окислитель представл ет собой окислитель в паровой фазе, и в любом случае проницаем дл инфильтрации развивающимс продуктом реакции окислени ; и имеет достаточную согласованность в интервале температур нагрева , чтобы приспособитьс к различному термическому расширению между слоем на- полнител и основным металлом плюс объем- ные изменени , вызванные переходом точки плавлени металла, Каждый слой засыпки материала наполнител по меньшей мере в поддерживающих зонах, размещен

ный внутри стенки полости и снаружи внеш

ней стенки с тем, чтобы окружить модель, вл етс внутренне самосв зывающимс при температурах, выше точки плавлени основного металла, но ниже и предпочтительнее очень близкой к температуре реакции окислени , при этом засыпка материала наполнител имеет достаточную силу сцеплени , чтобы сохранить инверсионно воспроизведенную геометрию модели в засыпке

при миграции основного металла.

Профилированна заготовка основного металла с наложенными сло ми засыпки нагревают до температурной области, превышающей его точку плавлени , но ниже точки

плавл-ени продукта реакции окислени ,

0

чтобы получить массу расплавленного основного металла, и расплавленный основной металл взаимодействует с этой области температур или в интервале температур с

0 окислителем с образованием продукта реакции окислени . По меньшей мере часть продукта реакции окислени поддерживаетс в этой температурной области в контак- те с массой расплавленного металла и

5 между массой расплавленного металла и окислителем, при этом расплавленный ме- талл поступательно прот гиваетс из массы расплавленного металла через продукт реакции окислени , продолжа образование

продукта реакции окислени на границе раз , дела между окислителем и ранее образовавшимс продуктом реакции окислени . Эта. реакци продолжаетс в указанно-й темпе- ратурной области в течение времени, доста5 точного по меньшей мере дл частичного инфильтрировани обоих слоев эссенции продуктом реакции окислени при росте последнего и дл параллельного образовани стеночных элементов с ограниченным

0 поперечным сечением и оставлением определенных путей прохода или канала, ограниченного самым глубинным стеночным элементом, т.е. продукт реакции окислени растер в противоположных направлени х в

5 засыпке, и миграци и превращение металла привод т к образованию керамической матрицы, инверсионно отображающей в противоположных направлени х смежную часть металлической модели, образу при этом перепускные каналы дл жидкости.

Проход дл жидкости между стеночными элементами (стенками) представл ют собой этображение стенки основного металла. Полученное самонесущее композитное тело отдел ют от избыточного наполнител , если

аковой имеетс и, выделенный продукт содер жит многостеночное цилиндрическое керамическое композитное тело с продольным перепускным каналом дл жидкости между стеночными элементами и централь- Аый канал дл жидкости. Стеночные эле- центрированы на оси и предпочтительно центрированы коаксиаль- Ню, так что стенки в значительный степени кюнцентричны.

В другом аспекте изобретени предус- гЛотрены средства дл предохранени сте- н|ок от разрушени и дл поддержани с|теночных элементов с установленными Промежутками. В одном варианте осуществлени изобретени предусмотрено средство дл поддержани , выполненное за одно целое с керамическим компоаитным телом, заключающеес в том, что модель снабжает одним или более отверстий дл щелей и заполн ют их материалом наполнител . Во врем проведени процесса продукт реакции окислени прорастает как матрица в наполнитель, а равно как и в засыпку наполнител , смежного со стенками, образу при этом керамические св зывающие ребра жесткости между стеночными элементами . В другом варианте осуществлени изобретени при использовании модели основного металла с двум или более цилиндрами , поддерживающие средства могут бш-ть внедрены между цилиндрами, и при формировании керамического композитного ) тел а поддерживающие средства св зыва- ю|гс на месте продуктом реакции окислени , соедин и поддержива при этЬм пространственно разделенные кера- м ческие цилг.ндры.

Использованные в описании в прилага- еМой формуле изобретени термины опре- де|лены ниже следующим образом.

j Керамический не следует неправо- мирно истолковывать, ограничива сь кера- м ческим материалом в классическом смысле, т.е. в том смысле, что керамика со- стфит целиком из неметаллических и неор- гафических материалов, а скорее относитс к материалу, который вл етс преимущест- Beij-mo керамическим с учетом как состава, Tai| и определ ющих свойств, хот материал содержать небольшие или значительные количества одного или более составл ющих , производных от основного металла, Mniji восстановленных HJ окислител или присадка, в больш:/ стве случаев типично в

пределах от 1,0 до 40,0% по объему, но может включать и еще большие количества металла .-. Продукт реакции окислени в общем 5 смысле означает один или более металлов в любом окисленном состо нии, в котором металл отдал электроны или поделил электроны с другим элементом, соединением или их сочетанием. Следовательно, продукт ре- 10 акции окислени в таком определении включает продукт реакции одного или более металлов с окислителем, как описано в за вке .

Окислитель означает один или более 15 подход щих акцепторов электронов или распределителей электронов и может представл ть собой элемент, сочетание элементов , соединение или сочетание соединений, включа восстанавливающиес соедине .0 ни , и вл етс твердым, жидким или газообразным (пар) или сочетанием этих агрегатных состо ний (т.е. твердое вещество и газ) в услови х проведени процесса. Основной металл относитс к металлу,

5 т.е. алюминию, который вл етс предшественником дл поликристаллического продукта реакции окислени и включает такой металл как относительно чистый металл, коммерчески доступный металл с содержа0 нием .примесей и/или составл ющих сплава или сплав, в котором металл-предшественник вл етс основной составл ющей, и, если специфический металл упом нут как основной металл, т.е. алюминий, то металл

5 следует понимать в этом значении, если контекстом не определено иначе.

Цилиндрическа стенка или цилиндрический стеночный элемент неправомерно истолковывают как ограниченные

0 стенкой, форма которых в поперечном сечении определ етс окружностью, но скорее касаетс любой стенки, чье поперечное сечение может быть любой подхо/- .дей замкнутой формы, такой как кругла ,

5 эллиптическа , треугольна , пр моугольна или люба друга полигональна формз (т.е. п тиугольна , восьмиугольна и так далее) поперечного сечени . Далее термин включает стенки, поверхность которых не только

0 ровна и плавна , но также и стенки, имеющие любой типа формы волнистости, такие как зубчата , синусоидальна , гофрированна и тому подобные.

На фиг.1 представлен горизонтальный

5 вид модели основного металла сформированного в виде цилиндрической трубы, имеющей множественные отверсти , простирающиес в поперечном направлении через стенку цилиндра; на фиг.2 - на сечение А-А на иг.1 (с материалом на полнител на месте); на фиг.З- горизонтальный вид сформованного основного металла , иллюстрирующий альтернативный вариант осуществлени изобретени ; на фиг.4 - вид с торца на сформованный основной металл на фиг.З с материалом наполнител посредине; на фиг.5 - продольное сечение, показывающее сборку моделей профилированного основного металла на фиг.1, погруженного в слой частиц наполнител и помещенного в жаропрочный контейнер; на фиг.6 - увеличенный, частичный разрез участка щели профилированного основного металла на фи.г.5, показывающий опорную зону в материале наполнител ; на фигГ/ горизонтальный вид на самонесущее керамическое композитное тело, получен ное согласно изобретению с использованием модели основного металла на фиг. 1; на фиг.8- вид с торца на самонесущее керамическое композитное тело на фиг.7; на фиг.9 - вид с торца на модель основного металла, сформованного в виде пары концентрически расположенных цилиндрических труб, при этом кажда труба имеет множество отверстий, простирающихс в поперечном направлении через стенку каждого из цилиндров; на фиг. 10 - вид с торца на самонесущее керамическое тело, полученное согласно изобретению с использованием модели основного металла на фиг.9; на .фиг.11 - поперечное сечение модели основного металла, полезной при получении керамического композита альтернативным способом осуществлени изо- бретенил; на.фиг, 1 2 - самонесущее керамическое тело, полученное согласно изобретению с использованием .модели основного металла, .показанной на фиг.11.

В практике осуществлени насто щего изобретени основной металл предусматриваетс в форме отливки или модели, снабженной по меньшей мере одним аксиально простирающимс отверстием, полостью, каналом или тому подобным, открытым по меньшей мере с одного конца. При осуществлении способа согласно изобретению модель основного металла инверсионно отображаетс в противоположных направлени х дл получени самонесущего керамического композитного тела, содержащего несколько разделенных пространством стенок , имеющих ограниченное поперечное сечение . Изобретение устран ет операции получени раздельно керамических тел, каждое из которых затем концентрически устанавливают и взаимосв зывают. Термин инверсионно отображенный означает, что пространство, образованное между стенками в продукте, определ етс противолежащими поверхност ми смежных керамических стенок, которые в значительной степени подобны первоначальной форме основного металла, т.е. если основным металлом вл етс модель, содержаща ци- линдрическую трубу с круглым поперечным сечением, то пространство, образованное между стеночными элементами керамического издели , будет в значительной мере

0 такой же ширины что и толщина цилиндрической стенки, и будет круглым в поперечном сечении как негативное воспроизведение геометрии модели основ- -ного металла.

5. Модель основного металла может быть профилирована любыми подход щими средствами, лишь бы она содержала по меньшей мере одно открытое отверстие или полость, предпочтительно простирающую0 с в осевом направлении через профилированный основной металл, т.е. цилиндрическа труба. Например; кусок ме- талла, такой как-трубка, труба или другой трубчатый элемент, имеющий осевое отвер5 стие/простирающеес во всей длине, образу прнэтом цилиндр, может быть получен механической обработкой, литьем в форму, отливкой, экструдированием или сформован иным образом дл получени профили0 рованной модели. Основной металл в качестве модели может иметь прорези, отверсти , щели, выточки.упоры, фланцы или тому подобное, чтобы получить модель дл формировани поддерживающих (опорных),

5. средств дл керамическо о композита, как описано это подробно .ниже. Модо-ль основ- ного металла может иметь любое подход щее замкнутое поперечное сечение, от цилиндрического до полигонального, как

0 уже упоминалось выше. Независимо от формы основного металла материал наполните- . л наложен на поверхности стенок модели, котора включает полость или внутреннюю стенку и внешнюю стенку, и предпочтитель5 но поверхности стенок параллельны, обеспечива таким образом -проход дл жидкости в значительной мере однородного поперечного сечени . Целесообразно заполнить полость согласующимс материа0 лом наполнител , на который затем наШс т другой согласующийс слой материала наполнител , помещенный в подход щий тигель или контейнер, Два материала наполнител могут быть одинаковыми или

5 различными по составу, качеству, чистоте или структуре. Модель определ ет таким образом профилированную полость всогласу- ющейс засыпке материала наполнител профилированную полость в пределах этой массы наполнител . Когда основной металл,

I занимающий пространство, в конечном сче- |те расплавлен и окисл етс и мигрирует из |заполненного пространства, то множество керамических стенок с ограниченным поперечным сечением и соосно расположенных развиваетс в противоположных направлени х , образу при этом пространство, имеющее граничные поверхности внутри полученного керамического композитного тела, которые в значительной степени конг- руентны форме первоначальной модели основного металла. Таким образом толщина стенок модели основного металла может определить ширину поперечного сечени пространства между стеночными элементами. Полученный керамический композитный продукт обладает в значительной степени еометрической конфигурацией первоначальной модели, согласован в отношении дифференциальных объемных изменений основного металла в процессе получени , св занных с точкой плавлени металла и ермическим расширением, с учетом сформированного композитного тела и охлаждени . Таким образом, в одном аспекте изобретение предусматривает и обеспечивает преимущество получени керамическо- го тела сложной формы обработкой (Металлической модели, и не механической обработкой керамики дл получени формы, котора (обработка) вл етс более трудоемкой и дорогосто щей.

Хот изобретение описано ниже деталь- ю со специальной ссылкой на алюминий в качестве предпочтительного основного металла , другой подход щий исходный металл , удовлетвор ющий требовани м изобретени , может быть использован и включен в объем изобретени , например, кремний, титан, олово, цирконий и гафний.

При осуществлении способа согласно изобретению модель основного металла и

3:

сыпку наполнител нагревают в окислительной атмосфере до температуры выше точки плавлени металла, но ниже темпера- т ры плавлени продукта реакции окисле- н л , что приводит к образованию массы или п/ла расплавленного металла. При контакте с окислителем расплавленный металл будет взаимодействовать с образованием сло п зодукта реакции окислени . Под воздействием окислительной атмосферы в подход - шей температурной области оставшийс расплавленный металл поступательно про- Т9 гиваетс в слой продукта реакции окисле- Н: 1ч и через него в направлении к окислителю и в засыпку наполнител и там в контакте с окислителем образуетс до- полнительны-s продукт реакции окислени . По меньшей мьре млсть продукта реакции

окислени поддерживают в контакте с расплавленным металлом и окислителем и. между расплавленным металлом и окислителем с тем, чтобы вызвать непрерывный рост поли- 5 кристаллического продукта реакции окислени в засыпке наполнител , инфильтриру и залива наполнитель поликристаллическим продуктом реакции окислени . Материал поликристаллической матрицы продолжает рас- 10 тм до тех пор, пока поддерживаютс подход щие услови дл реакции окислени и сохранилась кака -либо часть неокислённо- го расплавленного основного металла.

Процесс продолжают до тех пор, пока 15 продукт реакции инфильтрирует и зальет желаемое количество засыпки наполнител , Полученный керамический композитный материал включает наполнитель, залитый керамической матрицей, содержащей поли0 кристаллический продукт реакции окислени и необ зательно одну или более составл ющих основного металла, восстановленные составл ющие твердого или жидкого окислител , составл ющие приса5 док или поры или их сочетаи , Типично дл таких поликристаллических керамических матриц то, что кристаллиты продукта реакции окислени взаимосв заны в одном или более измерени х, предпочтительно в трех

0 измерени х, и металлические включени или поры могут быть частично взаимосв заны . Если процесс не провод т до израсходо- ван-и основного металла, то полученный керамический композит основательно плот5 ный и в значительной мере беспористый. Если процесс провод т до конца, то есть столько металла, сколько желательно или возможно окислить в услови х проведен ч процесса окислени , то на месте взаимосв 0 занного металла будут образовыватьс поры в керамическом композите. Полученный керамический композиционный продукт согласно изобретению содержи сколько аксиально центрированных пространствеи5 но разделенных цилиндрических стенок, ин- версионноотображающих в противоположном направлении геометрическую Форму первоначальной модели, и (продукт) согласован по дифференциальным

0 объемным изменени м основного металла, св занным с точкой плавлени и термическим расширением металла в процессе окислени в отношении полученного и охлажденного композитного тела. В предпоч5 тительном варианте осуществлени стено- чные элементы центрированы соосно, и керамический продукт содержит центральный канал дл жидкости и один или более концентрически расположенных жицкост- ны х каналов. Мс-сгмс/- подобной структуры может быть полезен особенно в качестве теплообменника.

На фиг.1 и 2 представлены перспективные виды полостных моделей основного металла 1, профилированного в виде цилиндрической трубы или цилиндра, имеющего стенку 2 и центральное отверстие 3, простирающеес аксиально через него. Цилиндрическа труба 2 имеет несколько отверстий , проход щих в поперечном направлении через стенку 2 цилиндра 1. На фиг,2 и 4 показан материал наполнител 5. В осуществлении изобретени , показанном на фиг.3, цилиндрическа труба имеет множество выт нутых в длину щелей 6, простирающихс в продольном направлении почти на всю часть стенки цилиндра. В этих выполнени х отверсти 4 и щели 6 снабжены материалом наполнител 5, как показано на фиг.2 и 4. Засыпка материала наполнител 5, состо ща из того же или отличного от него материала, расположена в каждом центральном отверстии 4, но если желают, то внутренн стенка каждого цилиндра может быть футерована засыпкой заранее заданной толщины с тем, чтобы заполнить только часть отверсти , и пролегающа глубоко внутри гранична поверхность засыпки снабжена подход щим барьером, чтобы ингибировать рост (не показано, и описано детально ниже). Таким образом, если отверстие имеет большое отношение длины к диаметру , то газообразному окислителю может быть нелегко проникать в засыпку при проведении процесса, оставл при этом неплотный материал засыпки, и в таком случае может быть выгодным предусмотреть засыпку с жидким или твердым окислителем, как это разъ снено подробно далее). В предпочтительном осуществлении насто щего изобретени засыпки состо т или включают спекающийс или самосв зывающийс наполнитель, или св зующее или спекающее средство, Следует понимать, что така самосв зывающа с зона может включать только часть засыпки или по существу весь слой, и далее, материал наполнител может быть внутренне самосв зывающимс либо благодар присущим материалу свойствам или подход щий материал может быть введен в слой дл обеспечени достаточного св зывани . Как показано на фиг,5. только в цел х иллюстрации, боковые краевые стенки основного металла снабжены подход щим барьером 7 (детально описан ниже) и основной металл внедр етс затем в засыпку из частиц наполнител 8, помещенного в жаропрочный контейнер 9, такой как тигель из глинозема. Засыпки наполнител 5, 8 могут иметь одинаковый или различный состав , чистоту или тип.

При нагревании сборки, показанной на фиг.5, до температуры, существенно превыщающей точку плавлени основного металла , окислитель, такой как окислитель в паровой фазе, который проникает в засыпку и контактирует с расплавленным металлом, окисл ет расплавленный металл и происхо0 д щий при этом рост продукта реакции окислени инфильтрует засыпку 5 и 8. Барьерные средства 7 ингибируют рост продукта реакции окислени от концевых стенок модели . Например, если основным металлом

5 вл етс алюминий, а воздух вл етс окис лителем, то температуре реакции окислени может быть в интервале от 690 до 1450°С, предпочтительно от 900 до 1350° С, и продукт реакции окислени типично представ0 л ет собой а-глинозем. Расплавленный металл мигрирует через образовавшийс слой продукта реакции окислени из объема , ранее зан того моделью 10, что может привести к пониженному давлению в этом

5 объеме вследствие непроницаемости дл окружающей атмосферы растущего поверхностного сло продукта реакции окислени и. нормальном давлении, действующем на контейнероподобный поверхностный слой

0 продукта реакции окислени . Разумеетс , засыпки материала наполнител (или его опорные зоны) могут быть внутренне самосв зывающимис при температуре самосв зывани и выше, котора находитс в

5 интервале выше точки плазлени основного металла, но ниже температуры реакции

окислени или близкой к ней. Таким образом , будучи нагретыми до температуры самосв зывани , но не ранее, засыпки

0 наполнител или его поддерживающие зоны спекаютс или иным образом св зывают себ и соедин ютс с растущим продуктом реакции окислени достаточно прочно дл того, чтобы придать необходимую прочно5 сть засыпкам, т.е. поддерживающим зонам, чтобы противосто ть перепаду давлени и сохранить в каждой засыпке наполнител геометрию цилиндрических стенок и заполненной полости, образованной в ней

0 уподоблением засыпок форме модели. Как описано детально ниже, если наполнители были самосв зывающимис значительно раньше до окончани расширени основного металла при на5 гревании.и его расплавлении, то самосв - зывающиес наполнители будут трескатьс или разрушатьс при расширении металла. В осуществлении изобретени , при котором только поддерживающа зона наполнителей содержит или включает спекающийс или самосв зывающийс наполнитель ил (св зующее или спекающее средство ,пунктирными лини ми 10 на фиг.6 показана прот женность поддерживающей зоны в засыпках. По мере продолжени реакции полость в засыпках ранее заполненна моделью, почти полностью освобождена в результате миграции расплавленного-основного металла через продукт реакции окислени к наружной поверхности его, где расплавленный металл контактирует с окислителем в паровой фазе и окисл етс с образованием Дополнительного продукта реакции окислени . Продукт реакции окислени содержит лоликристаллический керамический мате- эиал, который может содержать включени составл ющих основного металла, а равно сак и восстановленные составл ющие приладки и твердый или жидкий окислитель,, исл-и таковой используетс , в зависимости от условий процесса и реагентов, примен емых в нем. По окончании реакции и освобождению объема, ранее зан того моделью, Сборку охлаждают дл извлечени полученного керамического композита, показанного позицией 11 на фиг.7 и 8. i Полученный композит 1 содержит кон- Центрические цилиндры 12 и 13, имеющие центральный канал 14 и окружные каналы 5. Два цилиндра поддерживаютс в пространственном отношении друг к другу мно- хеством радиаль но расположенных спиц ребер жесткости 16 (см. на фиг.8), которые сформированы in- situ и заодно целое с концентрическими цилиндрами композита, ЦЬбыток наполнител ,-если таковой имеет- с| , отдел ет от композитного тела струйной обработкой, вибрацией, в барабане дл очи-. с|тки отливок, шлифованием и тому подо- ф|ым. Экономичной технологией вл етс струйна обработка с использованием час- материала, который пригоден в качест- в|е наполнител или компоненты Заполнител , дл того чтобы удаленный наполнитель и материал дл струйной обработки мог быть повторно использован как наполнитель в последующей операции. Даже если наполнитель может св зыватьс в п эоцессе реакции, степень прочности этого с шосв зывающегос наполнител обычно гораздо меньше чем прочность полученного композита, и, следовательно, полезно удалить избыток самосв зывающегос наполнител обдувкой частицами без существенного повреждени композитного тела. Поверхности керамических композитных изделий могут быть грунтованы или механически обработаны или иным образом сформованы до

желаемых размеров, формы или конечной составл ющей с размером и формой полученных в них перепускных каналов.

Можно виде- , что модель, профилиро- 5 ванна как цилиндрическа труба, дает два концентрически расположенных цилиндр таких как цилиндра 12 и 13. Таким образом, в процессе реакции окислени -i. ека матриип растет латерально в обоих на-- 10 правлени х, т.е. (а) внутрь от поверхности стенки основного металла в полость или центральное отверстие и (Ь) наружу от внешней поверхности стенки основного металла, с образованием внутреннего цилиндра 12 м 15 внешнего цилиндра 13, а также опорных элементов 16.

Модель основного металла может быть профилирована и конструирована так, что- .. бы получить более двух цилиндров. Напри-. 0 мер, модель основного металла, показанна на фиг,9 позицией 17, может, быть сформована как два концентрически расположенных металлических цилиндра 18 и 19, каждый из них снабжен отверсти ми 20 и 5 21, проход щими в поперечном направлении . Могут быть получены продольные ребра 22, предпочтительно из керамики, такой как глинозем. Модель погружают в подход щий наполнитель, наход щийс в жароп- 0 рочном контейнере, аналогично тому, как показано на фиг.5, такчтозасыпки наполнител расположены в центральном отверстии внутреннего цилиндра 18, между цилиндрами,- окружают внешний цилиндр и 5 заполн ют отверсти 20 и 21. В ходе реакции окислени цилиндрическа стенка внутренней цилиндрической модели 18 образует продукт реакции окислени в противоположных направлени х с формированием па- 0 ры внутренних цилиндрических стенок 23 и 24, которые поддерживаютс концентрическими и пространственно разделенными множеством спиц или ребер жесткости 25 (см. на фиг. 10), полученных в результате ро- 5 ста продукта реакции окислени в виде матрицы в наполнитель, который был помещен в поперечные отверсти 20, Аналогично этому цилиндрическа стенка внешнего цилиндрического шаблона (модели) 19 образует 0 продукт реакции окислени в противоположных направлени х в ходе реакции окислени с образованием пары внешних цилиндрических керамических стенок 25 и 26, которые удерживаютс в концентриче- 5 ском и пространственном положении множеством спиц 55, полученных в результата прорастани продукта реакции окислени как матрицы в наполнитель, который бы; помещен в поперечные отверсти 21. Про дукт реакции окислени , образующийс ;ростом керамических стенок, будет формироватьс у основани продольных ребер 22, св зыва при этом эти ребра на месте и поддержива разнесенные в пространстве стеночные элементы 24 и 25, Полученный композит имеет центральный перепускной канал дл жидкости и окружные или концентрические каналы 27, 28 и 30.

В дальнейшем варианте осуществлени модель основного металла, показанна позицией 31 на фиг. 11, может быть сформова- на так, что, будучи погружена в наполнитель, наход щийс в контейнере, аналогично показанному на фиг,5, внутренн цилиндрическа модель 32 основного металла окружена внешней цилиндрической моделью 33 и концентрически размещена по отношению к внешней цилиндрической модели 33 основного металла . Внутренн цилиндрическа модель 32 содержит.множество отверстий 34, проход щих в поперечном направлении. Таким образом, внешн цилиндрическа стенка модели 62 окружена барьерными средствами 35, которые ингибируют; затрудн ют или прекращают рост.или развитие продукта реакции окислени , как будет разъ снено ниже . Что касаетс других вариантов осуществлени изобретени , то подход щий наполнитель, который может включать поддерживающие зоны, помещен или расположен в центральном отверстии цилиндра 33 и между внутренней цилиндрической моделью 32 и внешней цилиндрической мо-. делью 33, а также в поперечных отверсти х 34. В результате процесса реакции окислени цилиндрическа стенка внутренней цилиндрической модели 32 формирует продукт реакции окислени в противоположных направлени х, образу при этом пару внутренних цилиндрических керамических стенок 35 и 36, которые поддерживаютс концентрически и пространственно разделенными множеством ребер жесткости или спиц 37, полученных в ре- зультате прорастани продукта реакции окислени как керамической матрицы в наполнитель , который был ранее помещен в поперечные отверсти 34. Барьерные средства 35 предохран ют цилиндрическую стенку внешней цилиндрической модели 33 от роста и развити продукта реакции окислени в наружном направлении. Таким образом цилиндрическа модель 33 продуцирует целостную цилиндрическую керамическую композитную стенку 36 в процессе реакции окислени прорастанием продукта реакции окислени в наполнитель. Одно или более ребер-жесткости 38, таких как керамическое ребро жесткости, может

быть помещено между цилиндрическими стенками аналогично описанному со ссылкой на выполнение изобретени на фиг.9 и 10, Керамический композит содержит центральный канал дл жидкости 39 и концентрические каналы 40 и 41. Таким образом, при осуществлении насто щего изобретени может быть получен керамический композитный продукт, имеющий две или более

0 цилиндрических стенок варьированием полой модели основного металла и использованием барьерных средств.

Выбором подход щего наполнител и поддержанием условий проведени реак5 ции окислени в течение времени, достаточного дл эвакуации по существу всего расплавленного основного металла из заполненной полости, вначале зан той моделью , получают точное инверсионное

0 отображение, геометрии модели (включа вс кие отверсти , щели и тому подобное). Хот форма, показанна на чертежах (и поэтому .все сформованные цилиндрические стенки и пространства) вл ютс относи5 тельно простой, однако могут быть сформованы полости и другие пространства и керамическом композите, которые с точностью инверсионно воспроизвод т формы моделей более сложной геометрии.

0Наполнитель, который согласуетс с моделью и используемый дл осуществлени изобретени , может быть одним или более и:з широко распространенных материалов, пригодных дл этой цели.

5Используемый в описании и в формуле изобретени термин согласующийс в применении к материалам наполнител означает , что наполнитель представл ет со- бо.й материал, который может быть

0 упакован вокруг, приложен к модели или обмотан вокруг модели и согласован с геометрией модели, погруженной в наполни тель. Наполнитель может включать, например, волокна, нитевидные кристаллы,

5 .порошки и тому подобное, может также содержать либо гетерогенное или гомогенное сочетание двух или более таких компонентов или геометрических конфигураций, т.е. сочетание мелких частиц и нитевидных кри0 сталлов. Физическа конфигураци наполнител должна обеспечить погружение модели в массу наполнител и окружение ее . наполнителем с тесным согласованием с поверхност ми модели. Модель основного ме5 талла примен етс в описании и в формуле изобретени как модель, так как пространство , образованное в конечном счете в композите, представл ет собой негатив геометрии модели. Подход щие наполнители включают, например, оксиды, карбиды,

н итриды и бориды, такие как глинозем, дву- окись циркони , борид титана, карбид креми , нитрид алюмини и нитрид титана или

войные, тройные или еще более высокого гор дка оксидные соединени металлов такие как шпинели, т.е. шпинель алюмината магни .

I Согласующийс наполнитель вл етс материалом, который в услови х реакции окислени проницаем дл проникновени через него окислител , если последний находитс в паровой фазе. В любом случае наполнитель также проницаем дл роста и развити в нем продукта реакции.окисле- н;и .

| Самосв зывающийс наполнитель не фекаетс и должен сохран ть свою согласованность , чтобы противосто ть разнице в объемных изменени х между ним и основным металлом, когда последний нагревают и плав т, и затем самосв зывэтьс дл обеспечени механической прочности дл развити полости, когда реакци окислени прогрессирует.

; Употребленный в описании и в формуле иробретени дл характеристики согласующегос наполнител термин самосв зыва- к: щийс означает такие наполнители, кэторые, будучи размещены в согласующемс контакте с основным металлом, со- х ан ют достаточную приспособленность к оэъемным изменени м основного металла п эй точке плавлени и дифференциальному термическому расширению между основном металлом и наполнителем, и по мень- ией мере в его поддерживающей зоне, нэпосредственно примыкающей к положительной модели.

Наполнитель должен быть согласую- и/или самосв зывающимс только в тйй части сло наполнител , котора вл етс смежной с моделью основного металла и сформована ею.

. В любом случае наполнитель не должен стекатьс , сплавл тьс или взаимодейство- таким образом, что образуетс непроницаема масса, способна блокировать инфильтрацию продукта реакции окислени в Заполнитель или, когда используют окис- лфтель в паровой фазе, то проход такого п|)офазного окислител через наполнитель.

Наполнитель должен быть согласующимс и/или самосв зывающимс только с той части сло наполнител , котора вл етс смежной с моделью основного металла и сформована ею.

В любом случае наполнитель не должен стекатьс , сплавл тьс или взаимодействовать таким образом, что образуетс непроницаема масса, г- тсобна блокировать

инфильтрацию продукта реакции окислени в наполнитель или, когда используют окислитель в паровой фазе, то проход такого профазного окислител через наполнитель 5Типичные окиспптели включают без раничени кислород, азот, галоген, серу, фосфор, мышь к. , глерод, селен, теллур и соединени и их сочетани , например, дв окись кремни (как источник кислорода), . ;е- 0 тан. этан, пропан, ацетилен, этилен и пропилен (как источники углерода), и смеси, такие как воздух, Н2/Н20 и СО/С02, последние две (т.е. водород-вода и окись углеро- да-углекислый газ) полезны дл 5 восстановлени активности кислорода в ai мосф.ере. В зависимости от примен емого окислител полученна керамическа матрица может содержать оксид, карбид, нитрид или борид.

0Хот может быть использован любой подход щий окислитель, предпочтителен окислитель в паровой фазе (газ) и конкретные осуществлени изобретени описаны здесь со ссылкой нэ использование окисли- 5 тел в паровой фазе. Термин окислитель в паровой фазе означает испаренный или газообразный материалы в нормальном состо нии . В случае, например, когда основным металлом вл етс алюминий и 0 окислителем вл етс воздух, который наиболее предпочтителен поочевидней причине экономичности.

Примером окислител как азотсодержащего газа использованного в описании 5 и в формуле изобретени , вл етс так называемый формир-газ, состо щий примерно из 96 объемных процентов азота и 4 объемных процентов водорода.

Если используют твердый окислитель, 0 то он обычно диспергирован по всем слое наполнител или в его части, прилежащей к основному металлу, в форме частиц или порошков , смешанных с наполнителем или вообще как покрытие на частицах 5 наполнител . Может быть применен любой твердый окислитель, включа элементы, такие как бор или углерод, или восстансвлива- .емые соединени , такие как кордиериты, двуокись кремни и некоторые бориды бо- 0 лее низкой термодинамической стабильности , чем боридный продукт реакции основного металла. Например, если исполь- зуют бор и;:и .восстанавливаемый борид в качестве твердого окислител основного ме- 5 талла алюмини , то полученный гюдукт реакции представл ет собой 6ор1-д алюмини . Еслиосновным металлом вл етс тп1,.;и . додекаборид алюг.п ни представл етсоС подход щий твердый окислитель и продукт включает д.:fv.--.

Если примен ют жидкий окислитель, то весь слой наполнител или его часть, прилежаща к расплавленному металлу, могут быть покрыты или пропитаны, например, погружением и сушкой, окислителем дл пропитки наполнител . Под жидким окислителем имеетс в виду окислитель, который представл ет собой жидкость в услови х реакции окислени и таким образом жидкий окислитель может иметь твердый предшественник, такой как соль, наход ща с в форме расплава в услови х реакции окислени . По выбору жидкий окислитель может представл ть собой жидкость или раствор, который используют дл пропитки части или всего наполнител и который плавитс или разлагаетс п услови х реакции окислени , дава подход щую окислительную компоненту, Примеры жидких окислителей, как определено о пписа- нии, включают легкоплавкие стекла.

Материалы присадок, используемые в сочетании с основным металлом, благопри тно вли ют на процесс реакции .пени , в особенности в системе, примен ющей алюминий в.качестве основного металла. Присадка или присадки, используемые в сочетании или в св зи с основным металлом, могут быть введены как составл ющие сплава основного металла, могут быть нанесены по меньшей мере на часть поверхности основного металла или нанесены или введены в часть или в весь материал наполнител или предварительно сформованной заготовки, или может быть использовано в любое сочетание двух или более методов. Присадка может быть использована одна или в сочетании со второй присадкой, наносимой извне.

Присадки к алюминию в качестве основного металла, в особенности с воздухом е качестве окислител , включают магний, цинк и кремний либо в отдельности, либо в сочетании с другими присадками. Эти металлы или подход щие источники металлов, могут быть сплавлены с основным металлом .на базе алюмини в концентраци х дл каждой присадки от 0,1 до 10,0 весовых процентов от общего веса полученного легированного металла. Эти материалы присадок или подход щие источники их получени (т.е. MgO, ZnO или SI02) могут быть применены извне по отношению к основному металлу. Таким путем получают глиноземную керамическую структуру из смеси алюминий-кремний в качестве основного металла с использованием воздуха в качестве окислител и MgO в качестве присадки, нанесенной на поверхность металла в количестве ,большем чем 0,0008 г Мд на грамм основного металла подлежащего окислению,

и более чем 0,003 г магни на один квадратный сантиметр поверхности основного металла , на который нанос т окись магни . Дополнительные примеры материалов

присадок дл основного металла алюмини включают натрий, германий, олово, свинец, литий, кальций, бор, фосфор и иттрий, которые могут быть использованы в отдельности или в сочетании с одной или более присадок

0 в зависимости от окислител и условий процесса . Редкоземельные элементы, такие как лантан, празеодим, неодим и самарий также вл ютс полезными добавками и оп ть же в особенности при применении в сочетании

5 с другими присадками.

Могут быть применены барьерные средства дл мнгибировани роста или развити продукта реакции окислени за барьером.

Подход щими барьерными средствами мо0 жет быть любой материал, соединение, элемент , композици или тому подобное, которые в услови х процесса согласно изобретению сохран ют некоторую целостность , не летучи и предпочтительно

5 проницаемы дл окислител и паровой фазе и способны локально ингибировать, отравл ть , останавливать, мешать, предупреждать или тому подобное продолжающийс рост продукта реакции окислени . Как сви0 детельствует осуществление изобретени , показанное на фиг.5, барьерные средства приложены к торцевым поверхност м .профилированного основного металла дл предотвращени роста продукта реакции

5 окислени из этих поверхностей. Подход щие барьеры, особенно АЛЯ алюмини в ка честве основного металла в воздухе или в кислородсодержащем галс, включают сульфат кальци (природный гиг.г), силикат каль0 ци и портланд-цемент и их сочетани , которые обычно нанос т из шликера или в виде пасты на поверхность модели или. на поверхность материала наполнител , если рост.необходимо приостановить в области

5 засыпки. Эти барьерные средства могут также включать подход щие горючие или лету чие материалы, которые удал ютс при нагревании, или материалы, разлагающиес при нагревании с целью увеличени по0 ристости и проницаемости барьерных средств. Кроме того, барьерные средства могут включать жаропрочные частицы дл снижени любого возможного растрескивани или усадки, которые иначе могут по 5 витьс при проведении процесса. Такие частицы, имеющие, по существу, тот же коэффициент термического расширени , что и материал сло наполнител , особенножела- тельны. Например, если засыпка содержит глинозем и полученна керамика включают

гпинозем, то барьерное средство может Еыть смешано с частицами глинозема, желательно имеющими те же размеры частиц, что и частицы, используемые в засыпке, т.е. примерно 20-1000 меш. Другие подход щие барьерные средства включают плотные жаропрочные керамические или металлические экраны, желательно открытые по мень- ией мере с одного конца, чтобы обеспечить г роникновение паровой фазы окислител в слой и контакт с расплавленным металлом. Е некоторых случа х полезно вводить источ- н ики второго металла с барьерными средствами . Например, некоторые сорта составов нержавеющей стали при йзаимодействии в спределенных услови х процесса окислени , например, при высоких температурах, Е кислородсодержащей атмосфере, образуют свои оксидные компоненты, такие как скись железа, окись никел или окись хрома в зависимости от состава.нержавеющей стали. Таким образом, в некоторых случа х f арьерные средства, такие как экран из не- р жавеющей стали, могут обеспечить подход щий источник второго или инородного металла, в которые могут осуществл ть введение вторых металлов, таких как железо., никель или хром в поток расплавленного основного металла при контакте с ними.

Следующие примеры приведены дл иллюстрации изобретени , а не с целью огра- н|ичени его объема.

П р и м е р 1. Керамическое трубчатое т}ело, содержащее два концентрических взаимосв занных керамических цилиндра, было получено из цилиндрической трубы (такой, как показано на фиг.2) размерами 2,5 м в длину и 2,5 см в диаметре с толщиной Цилиндрической стенки 0,3 см, содержащей при р да по четыре поперечных отверсти диаметром 0,3 см, разнесенные на 90°. Ци- зиндр состо л из сплава алюмини 380.1 , (из Belmont Metals, имеющего паспортйзо- |анный состав в весовых процентах: 8-8.5% i, 2-3 цинка и 0,1 % магни в качестве активирующей присадки и 3,5% меди, железа, фарганца и никел /но в некоторых случа х Содержание магни было более высоким и Находилось в пределах 0,17-0,18%. Все внешние и внутренние цилиндрические с тенку и стенки поперечных отверстий по- (рывали порошком металлического кремни толщиной 0,00025-0/0025 . см и Размером чдстиц 500 грит (поставл етс Atlantic Equipment Engeneers, New Jersey) и Заполн ли карбидом кремни с размером частиц 500 грит, предварительно обожжен- жым на воздухе при 12-50°С в течение 24 ч (J39 кристолон, поставл емый Norton Co.) и Затем полностью погружали в слой частиц

наполнител размером 500 грит зеленого предварительно обожженного карбида кремни , насыпанного в жаропрочный контейнер . Загрузку нагревали при установлен5 ной рабочей температуре процесса 900°С в течение 24 ч на воздухе. Общее врем работы печи равн лось 35 ч с 6-ти часовым циклом подъема температуры до рабочего режима и 5-часовым циклом охлаждени . 10 Полученный композитный материал в поперечном сечении показал пару цилиндриче- . ских стенок, взаимосв занных спицами, так как показано на фиг,9. Внутренний цилиндр имел наружный диаметр около 1,15 см ч 5 толщину стенки око;Ю 0,24 см. Рассто ние между парой цилиндрических стенок составл ло 0,3 см. Наружный цилиндр им с- л внешний диаметр около 2.65 см и толщи,у стенки 0,24 см.

0Состав полученного композита определ ли рентгеноструктурным анализом и методом оптической микроскопии. Композит .содержал глиноземную матрицу, внедренную в наполнитель из карбида кремни .

5П р и м е р 2. Пример 1 повтор ли, но засыпкой наполнител служила смесь 70% глинозема Т64 (около 325 меш, постав. Alcoa) и 30% ЕРК (каолин, поставл. Feldspar Corp., Edgar, FL) и загрузку нагревали при

0 установленной температуре процесса 1СОО°С в течение 40 ч в атмосфере воздуха. Была получена пара концентрических цилиндрических стенок ,взаимосв занных ребрами жесткости, так как показано на фиг.9.

5 Стенка внутреннего цилиндра была толщи- - ной 0,15см при наружном диаметре 1,65см.. Толщина стенки наружного цилиндра составл ла 0,15 см, внешний диаметр около 1,65 см. Рассто ние между цилиндрически0 ми сменками равн лось 0,3 см.

Пример 3. Повтор ли пример 2, но

засыпкой наполнител служил глинозем

(А17, 325 ме, Alcoa) и загрузку наг ,-сзэли при

установленной рабочей температуре

5 100С°С4Э ч после 5-часового выхода печи на рабочий режим и 5-часового цикла охлаждени печи. Получали пару концентрических цилин дг -иесжх стенок, взаимосв занных pe6psi/.n жесткости. Наружный диаметр

0 внешней цилиндрической стенки составл л 0,15 см г.р-; толщине стенки 0,24 cv. Толщина стенки внутреннего цилиндра составл ла 0,24 см и наружный диаметр 2,65 см. Рассто ние между парой цилиндрических стен IK

5 составл ло 0,3 см.

Пример 4, Цилиндрическую трубу длиной 2,5 см из г.плава алюмини 380,1 (аналогично показанному на фиг,2) полностью погружали в слой корд. -pi i - ..-:- панн ого :; ;.-; ;; ; ; . . :ор.

Цилиндрическа труба имела длину 2,5 см и наружный диаметр 2,5 см и стенки имели поперечные отверсти диаметром 0,25 см. Внутреннюю стенку цилиндра и стенки поперечных отверстий заполн ли кордиерит- ным наполнителем. Сборку нагревали при установленной температуре 1000°С в течение 40 ч на воздухе. Общее врем работы печи составл ло 50 ч с 5-часовым циклом разогрева и 5-часовым циклом охлаждени . Прорастание керамического композитного материала в пару концентрических цилиндрических стенок, взаимосв занных ребрами жесткости, было очень однородным, Наружный диаметр внешней цилиндрической стенки составл л примерно 2,65см при .толщине стенки 0,15 см. Внутренн керамическа стопка была толщиной около 0,15 см и наружный диаметр составл л 1,65 см. Рассто ние между парой цилиндрических стенок составл ло около 0,3 см.

Эти примеры осуществлени зсбрете- ни показывают полезность изобретени и специалистам в данной области пон тны многочисленные сочетани и вариации, возможные в объеме изобретени .

Claims

Формула изобрете.ни 1. Способ получени издели из композиционного материала, включающий размещение заготовки основного металла и слое дисперсного огнеупорного инертного наполнител , проницаемого в услови х процесса дл оксиданта и инфильтруемого продукта реакции, нагрев в реакционной га- зообразной среде до температуры, превышающей точку плавлени металла заготовки, но меньшей точки плазлени продукта, его взаимодействи с окс.идан- том, и выдержку в течзнмо времени, достаточного дл полной инфильтрации металла и продукта его взаимодействи с оксидан- том в наполнитель и образовании издели , охлаждение и отделение издепич от избытка наполнител , о т л и ч а ю и.- и тем,

что, с целью получени издели , содержащего несколько коаксиально расположенных пространственно разделенных стенок,, имеющих замкнутый контур и инверсионно

отображающих геометрию заготовки основного металла, заготовку выполн ют в виде тела, имеющего по меньшей мере одну открытую полость, а наполнитель размещают ч снаружи заготовки ив полости.
2. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и и с тем, что наполнитель дополнительно содер- жит опорную зону, самосв зывагащуюс при температуре, превышающей точку плавлени металла заготовки, но не превышающей температуру взаимодействи .
3. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и и с тем, что заготовка основного металла -имеет форму полого цилиндра.
4. Способ по п.1, о т ли ч а ю щ и и с тем, что заготовка основного металла содержит несколько концентрических цилиндров.
5. Способ по п.1, о т л ич а ю щ и и с тем, что заготовка основного металла имеет дополнительно по крайней мере одно отверстие , в которое размещают наполнитель, обеспечивающее образование по крайней мере одного ребра жесткости в конечном изделии.
.6. Способ по пп. 1и2, отличающийс гом, что основным металлом вл етс металл, из группы: Si, Ti, Sn, Zr, Hf, легированный алюминий.
7. Способ по пп. 1, 2 и 5, о г л и ч а ю- щ и и с тем, что оксидзптогл вл етс по крайней мере один из группы: кислородсодержащий или азотсодержащий газ, дпок- с.ид кремни , бор, углерод, кордиерит, восстановимое соединение.
8. Способ по пп. 1-6, о т л и ч а ю щ и й- с тем, что в качестве наполнител используют по крайней мере один компонент из группы: , СеО;, НЮ-2, 2г02, ТЮ2, Si02, MgO, В20з, Мв20з, где Me - La, NcJ, Pr, Sm, Sc, Y, N02, ПЮз, нитрид, карбид или борид.

4

4

rV

Фаг. г

Фиг Л

// U2 16 Iff //&1512

/: / /- ////

рЈ/г.7

Г6 ff

29

24

16 f5 12 13 fd

30

cptt&.f0

3d

JJ

4 Cf&/f

37