RU2304566C2 - Method of manufacture of ceramic articles - Google Patents
Method of manufacture of ceramic articles Download PDFInfo
- Publication number
- RU2304566C2 RU2304566C2 RU2005131644/03A RU2005131644A RU2304566C2 RU 2304566 C2 RU2304566 C2 RU 2304566C2 RU 2005131644/03 A RU2005131644/03 A RU 2005131644/03A RU 2005131644 A RU2005131644 A RU 2005131644A RU 2304566 C2 RU2304566 C2 RU 2304566C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- vacuum
- deformation
- pressure
- mpa
- Prior art date
Links
Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии получения керамических материалов, в частности к способам обработки керамики высокотемпературным деформированием, и может быть использовано в области электротехники, в машиностроении, для изготовления высокоплотных керамических изделий, которые работают при повышенных температурах и под нагрузкой.The invention relates to a technology for producing ceramic materials, in particular to methods of processing ceramics by high-temperature deformation, and can be used in the field of electrical engineering, mechanical engineering, for the manufacture of high-density ceramic products that operate at elevated temperatures and under load.
Известен способ обработки поликристаллической керамики [патент РФ №1635488, МКП С04В 35/00 от 1996.10.10] путем ее деформирования сжатием при нагреве со скоростью 10-5-10-3 с-1 с последующим охлаждением со скоростью 5200 град/ мин, причем деформирование ведут на воздухе при температуре 0.86-0.99 от температуры ее плавления.A known method of processing polycrystalline ceramics [RF patent No. 1635488, MKP S04B 35/00 from 1996.10.10] by deforming it by compression when heated at a speed of 10 -5 -10 -3 s -1 followed by cooling at a speed of 5200 deg / min, and the deformation is carried out in air at a temperature of 0.86-0.99 of its melting point.
Недостатком данного способа является усложненная технология отжига деформированных образцов на воздухе с дополнительной продувкой кислородом.The disadvantage of this method is the complicated technology of annealing of deformed samples in air with additional oxygen purging.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ изготовления турбинных лопаток [патент РФ №2066253, МКП В21К 3/04 от 1996.09.10], включающий следующие операции: расплав заливается в литейную форму, соответствующую изготовляемой лопатке. Затем полученную отливку целесообразно для гомогенизации отжечь примерно при 1100°С в течение приблизительно 10 часов в атмосфере аргона и охладить до комнатной температуры. После этого удаляют линейную корку и слой окалины, снимая, например, поверхностный слой толщиной около 1 мм механическим или химическим способом. Отливку, очищенную от окалины, помещают в надлежащую капсулу из мягкой углеродистой стали и сваривают последнюю герметичным образом. Затем помещенную в капсулу отливку подвергают изостатическому горячему прессованию при температуре 120°С в течение 3 часов при давлении 120 Па. Отжиг сплава следует в зависимости от химического состава производить при температуре 1000-1100°С в течение не менее полчаса и не более 30 часов. Это же относится и к изостатическому горячему прессованию, которое целесообразно производить при температурах в диапазоне 1200-1300°С и давлении 100-150 МПа в течение не менее 1 часа и не более 5 часов. Затем следует одно- или многократная изотермическая горячая обработка давлением той части отожженной и изостатически горячепрессованной отливки, которая соответствует хвостовику и бандажной пластине с образованием материала мелкозернистой структуры, и термообработка по крайней мере той части отожженной и изостатически горячепрессованной отливки, которая соответствует перу перед изотермической обработкой или после нее с образованием материала крупнозернистой структуры.Closest to the claimed technical solution is a method of manufacturing turbine blades [RF patent No. 2066253, MKP V21K 3/04 of 1996.09.10], which includes the following operations: the melt is poured into the mold corresponding to the manufactured blade. Then, it is advisable to anneal the resulting casting for homogenization at about 1100 ° C for about 10 hours in an argon atmosphere and cool to room temperature. After that, remove the linear crust and the scale layer, removing, for example, the surface layer with a thickness of about 1 mm by mechanical or chemical means. The descaled casting is placed in a suitable soft carbon steel capsule and the latter is sealed in an airtight manner. The casting placed in the capsule is then subjected to isostatic hot pressing at a temperature of 120 ° C. for 3 hours at a pressure of 120 Pa. Depending on the chemical composition, annealing of the alloy should be carried out at a temperature of 1000-1100 ° С for at least half an hour and no more than 30 hours. The same applies to isostatic hot pressing, which is advisable to produce at temperatures in the range of 1200-1300 ° C and a pressure of 100-150 MPa for at least 1 hour and no more than 5 hours. This is followed by single or multiple isothermal hot pressure treatment of that part of the annealed and isostatically hot-pressed casting that corresponds to the liner and retaining plate with the formation of a fine-grained material, and heat treatment of at least that part of the annealed and isostatically hot-pressed casting that corresponds to the feather before isothermal after it with the formation of coarse-grained material.
Недостатком данного способа является сложность технологического процесса, заключающаяся в изготовлении контейнера, в который затем помещается отливка, длительные отжиги в атмосфере инертного дорогостоящего газа аргона.The disadvantage of this method is the complexity of the process, which consists in the manufacture of a container into which the casting is then placed, prolonged annealing in an atmosphere of inert expensive argon gas.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения керамических изделий, обладающих высокими термомеханическими свойствами при повышенных температурах.The objective of the invention is to develop a method for ceramic products with high thermomechanical properties at elevated temperatures.
Для достижения указанного технического результата в способе изготовления керамических изделий, включающем получение заготовки, ее формообразование высокотемпературной деформацией и термообработку, заготовку получают прессованием смеси ультрадисперсных порошков диоксида циркония и оксида алюминия, затем полученную заготовку подвергают предварительному спеканию, далее высокотемпературной деформации в температурном интервале интенсивной динамической рекристаллизации диоксида циркония и последующему отжигу в вакууме.To achieve the specified technical result in a method of manufacturing ceramic products, including the preparation of a preform, its shaping by high-temperature deformation and heat treatment, the preform is obtained by pressing a mixture of ultrafine zirconia and alumina powders, then the obtained preform is subjected to preliminary sintering, then high-temperature deformation in the temperature range of intense dynamic recrystallization zirconium dioxide and subsequent annealing in vacuum.
Кроме того, содержание оксида алюминия в смеси ультрадисперсных порошков составляет от 10 до 80 вес.%.In addition, the content of alumina in the mixture of ultrafine powders is from 10 to 80 wt.%.
Кроме того, предварительное спекание проводят при температуре 1300-1550°С с выдержкой не менее 1 часа.In addition, preliminary sintering is carried out at a temperature of 1300-1550 ° C with a holding time of at least 1 hour.
Кроме того, высокотемпературную деформацию проводят, предпочтительно, при температуре 1400-1600°С и давлении 3-10 МПаIn addition, high-temperature deformation is carried out, preferably, at a temperature of 1400-1600 ° C and a pressure of 3-10 MPa
Кроме того, отжиг проводят в вакууме при остаточном давлении не ниже 5 10-5 мм рт.ст. и температуре 1500-1700°С.In addition, annealing is carried out in vacuum at a residual pressure of at least 5 10 -5 mm Hg. and temperature 1500-1700 ° С.
В предлагаемом способе изготовления керамического изделия использованы ультрадисперсные порошки диоксида циркония с добавкой оксида алюминия, полученные, например, плазмохимическим синтезом. Из этих порошков получают заготовки и спекают до плотности 70-90% от теоретической. Далее спеченные заготовки подвергаются высокотемпературной деформации для придания изделию заданной формы и размеров. При этом предварительно спеченные до указанной плотности заготовки будут свободно деформироваться, уплотняться и приобретать заданную форму. Этому будет хорошо способствовать малый размер зерна до 0,5 мкм в керамическом материале. Также при высокотемпературной деформации в материале будут развиваться процессы динамической рекристаллизации, увеличивающие скорость деформации. Под нагрузкой при высокотемпературной деформации в материале будет протекать формоизменение зерен оксида алюминия. При высокотемпературной деформации зерна оксида алюминия будут изменять свою форму - от округлой до разветвленной формы. Такая разветвленная форма частиц оксида алюминия будет эффективно препятствовать быстрой деформации керамического материала под нагрузкой, по механизму зернограничного проскальзования.In the proposed method for the manufacture of ceramic products used ultrafine zirconia powders with the addition of alumina, obtained, for example, by plasma-chemical synthesis. Preforms are obtained from these powders and sintered to a density of 70-90% of theoretical. Next, the sintered blanks are subjected to high temperature deformation to give the product a given shape and size. At the same time, preforms pre-sintered to the specified density will freely deform, compact and acquire a given shape. A small grain size of up to 0.5 microns in the ceramic material will contribute well to this. Also, during high-temperature deformation, dynamic recrystallization processes will develop in the material, increasing the strain rate. Under load during high-temperature deformation, alumina grains will form in the material. During high-temperature deformation, alumina grains will change their shape - from round to branched. Such a branched shape of the particles of aluminum oxide will effectively prevent the rapid deformation of the ceramic material under load, according to the grain-boundary sliding mechanism.
Затем полученное высокотемпературной деформацией изделие с заданными размерами, формой и плотностью подвергают рекристаллизационному отжигу в вакууме. Отжиг проводят до получения размера зерна в керамическом материале порядка 1.5-5 мкм.Then, the product obtained by high-temperature deformation with specified sizes, shape and density is subjected to recrystallization annealing in vacuum. Annealing is carried out to obtain a grain size in the ceramic material of the order of 1.5-5 microns.
В результате рекристаллизационного отжига в вакууме в керамическом материале формируется микроструктура с размером зерна, значительно превышающим критический для данного типа керамики.As a result of recrystallization annealing in vacuum, a microstructure with a grain size significantly exceeding the critical one for this type of ceramic is formed in a ceramic material.
В керамических материалах на основе диоксида циркония с добавками оксида алюминия критический размер зерна не превышает 1.5 мкм. В том случае, если размер зерна превышает критический, то в материале протекает самопроизвольное тетрагонально-моноклинное превращение, сопровождающееся увеличением объема, приводящее к разрушению материала. В заявляемом способе удается получить материал с размером зерна, значительно превышающим критический до 5 мкм, и сохранить 100% содержание тетрагональной фазы. Это достигается за счет дополнительной стабилизации тетрагональной фазы кислородными вакансиями в диоксиде циркония и поэтому не происходит самопроизвольного тетрагонально-моноклинного превращения, что и обеспечивает получение крупного зерна в материале.In zirconia-based ceramic materials with alumina additives, the critical grain size does not exceed 1.5 microns. In the event that the grain size exceeds critical, then a spontaneous tetragonal-monoclinic transformation occurs in the material, accompanied by an increase in volume, leading to destruction of the material. In the inventive method, it is possible to obtain a material with a grain size significantly exceeding the critical to 5 microns, and to maintain 100% content of the tetragonal phase. This is achieved due to the additional stabilization of the tetragonal phase by oxygen vacancies in zirconium dioxide and, therefore, spontaneous tetragonal-monoclinic transformation does not occur, which ensures the production of large grains in the material.
При этом материал с такой структурой будет обладать повышенными термомеханическими свойствами при высоких температурах. Увеличению механических свойств при повышенных температурах (сопротивление высокотемпературной деформации) будет способствовать разветвленная форма частиц оксида алюминия.Moreover, a material with such a structure will have enhanced thermomechanical properties at high temperatures. The increased mechanical properties at elevated temperatures (resistance to high temperature deformation) will be promoted by the branched form of aluminum oxide particles.
Изобретение осуществляется следующим образом.The invention is as follows.
Ультрадисперсный порошок диоксида циркония с добавкой оксида алюминия от 10 до 80 вес.%, засыпают в пресс-форму и прессуют заготовку при давлении 200-300 МПа. Может быть использован плазмохимический порошок диоксида циркония, стабилизированный различными оксидами, например оксидом иттрия. Далее заготовку спекают либо в вакууме, либо на воздухе до плотности 70-90% от теоретической. При этом температура спекания варьируется от 1300 до 1550°С с изотермической выдержкой от 0 до 1 часа. Затем спеченную заготовку подвергают высокотемпературной деформации для получения изделия заданной формы и размеров с плотностью керамического материала, близкой к теоретической. Высокотемпературную деформацию проводят в температурном интервале интенсивной динамической рекристаллизации диоксида циркония, предпочтительно, при температуре 1400-1600°С и давлении 3-10 МПа. После высокотемпературной деформации изделие подвергают вакуумному рекристаллизационному отжигу до получения размера зерна 1.5-5 мкм. Отжиг проводят в вакууме при температуре 1500-1700°С в течение 1-10 часов. Изделие сохраняет первоначальные размеры и имеет хорошие термомеханические свойства.An ultrafine zirconia powder with an addition of alumina from 10 to 80 wt.% Is poured into the mold and the workpiece is pressed at a pressure of 200-300 MPa. A plasma chemical powder of zirconia stabilized with various oxides, for example yttrium oxide, can be used. Next, the preform is sintered either in vacuum or in air to a density of 70-90% of theoretical. The sintering temperature varies from 1300 to 1550 ° C with isothermal exposure from 0 to 1 hour. Then, the sintered preform is subjected to high temperature deformation to obtain a product of a given shape and size with a density of ceramic material close to theoretical. High temperature deformation is carried out in the temperature range of intensive dynamic recrystallization of zirconia, preferably at a temperature of 1400-1600 ° C and a pressure of 3-10 MPa. After high-temperature deformation, the product is subjected to vacuum recrystallization annealing to obtain a grain size of 1.5-5 microns. Annealing is carried out in vacuum at a temperature of 1500-1700 ° C for 1-10 hours. The product retains its original dimensions and has good thermomechanical properties.
Предпочтительные примеры конкретного выполнения.Preferred examples of specific performance.
Пример 1Example 1
Берут ультрадисперсный плазмохимический порошок диоксида циркония, стабилизированный оксидом иттрия, с добавкой 10 вес.% оксида алюминия, засыпают в пресс-форму и прессуют заготовку при давлении 200 МПа. Далее заготовку спекают в вакууме при температуре 1300°С с изотермической выдержкой в течение 1 часа. Затем спеченную заготовку подвергают высокотемпературной деформации для получения изделия заданной формы и размеров. Высокотемпературную деформацию проводят при температуре 1400°С и давлении 3 МПа. После высокотемпературной деформации изделие подвергают вакуумному рекристаллизационному отжигу. Отжиг проводят в вакууме при температуре 1400°С в течение 10 часов. Изделие, изготовленное по данному примеру, обладает следующими свойствами: твердость по Виккерсу: 13-14 ГПа, предел прочности при изгибе: 1000-1100 МПа, размер зерна: 1.5-2.5 мкм, скорость деформации при Т 1600°С - 10-5 с-1.Take ultrafine plasmochemical zirconia stabilized yttrium oxide powder, with the addition of 10 wt.% Alumina, pour into the mold and press the workpiece at a pressure of 200 MPa. Next, the preform is sintered in vacuum at a temperature of 1300 ° C with isothermal exposure for 1 hour. Then, the sintered preform is subjected to high temperature deformation to obtain a product of a given shape and size. High-temperature deformation is carried out at a temperature of 1400 ° C and a pressure of 3 MPa. After high temperature deformation, the product is subjected to vacuum recrystallization annealing. Annealing is carried out in vacuum at a temperature of 1400 ° C for 10 hours. The product manufactured according to this example has the following properties: Vickers hardness: 13-14 GPa, tensile strength in bending: 1000-1100 MPa, grain size: 1.5-2.5 μm, strain rate at T 1600 ° C - 10 -5 s -1 .
Пример 2Example 2
Берут ультрадисперсный плазмохимический порошок, содержащий 20 вес.% диоксида циркония и 80 вес.% оксида алюминия, засыпают в пресс-форму и прессуют заготовку при давлении 300 МПа. Далее заготовку спекают в вакууме при температуре 1550°С с изотермической выдержкой 0.5 часа. Затем спеченную заготовку подвергают высокотемпературной деформации для получения изделия заданной формы и размеров. Высокотемпературную деформацию проводят при температуре 1500°С и давлении 10 МПа. После высокотемпературной деформации изделие подвергают вакуумному рекристаллизационному отжигу. Отжиг проводят в вакууме при температуре 1600°С в течение 5 часов. Изделие, изготовленное по данному примеру, обладает следующими свойствами: твердость по Виккерсу: 16-17 ГПа, предел прочности при изгибе: 900-950 МПа, размер зерна: 2.5-3.5 мкм, скорость деформации при Т 1600°С - 10-4 с-1.An ultrafine plasma chemical powder containing 20 wt.% Zirconia and 80 wt.% Alumina is taken, poured into the mold and pressed into the workpiece at a pressure of 300 MPa. Then the preform is sintered in vacuum at a temperature of 1550 ° C with an isothermal exposure of 0.5 hours. Then, the sintered preform is subjected to high temperature deformation to obtain a product of a given shape and size. High-temperature deformation is carried out at a temperature of 1500 ° C and a pressure of 10 MPa. After high temperature deformation, the product is subjected to vacuum recrystallization annealing. Annealing is carried out in vacuum at a temperature of 1600 ° C for 5 hours. The product manufactured according to this example has the following properties: Vickers hardness: 16-17 GPa, tensile strength in bending: 900-950 MPa, grain size: 2.5-3.5 μm, strain rate at T 1600 ° C - 10 -4 s -1 .
Пример 3Example 3
Берут ультрадисперсный плазмохимический порошок диоксида циркония, стабилизированный оксидом иттрия, с добавкой 50 вес.% оксида алюминия, засыпают в пресс-форму и прессуют заготовку при давлении 250 МПа. Далее отпрессованную заготовку спекают на воздухе при температуре 1400°С без выдержки. Затем спеченную заготовку подвергают высокотемпературной деформации для получения изделия заданной формы и размеров. Высокотемпературную деформацию проводят при температурах 1600°С и давлении 6 МПа. После высокотемпературной деформации изделие подвергают вакуумному рекристаллизационному отжигу. Отжиг проводят в вакууме при температуре 1700°С в течение 1 часа. Изделие, изготовленное по данному примеру, обладает следующими свойствами: твердость по Виккерсу: 15-16 ГПа, предел прочности при изгибе: 980-1100 МПа, размер зерна: 4.5-5 мкм, скорость деформации при Т 1600°С - 10-3 с-1.Take ultrafine plasma-chemical powder of zirconia stabilized with yttrium oxide, with the addition of 50 wt.% Alumina, fall into the mold and press the workpiece at a pressure of 250 MPa. Next, the pressed billet is sintered in air at a temperature of 1400 ° C without exposure. Then, the sintered preform is subjected to high temperature deformation to obtain a product of a given shape and size. High-temperature deformation is carried out at temperatures of 1600 ° C and a pressure of 6 MPa. After high temperature deformation, the product is subjected to vacuum recrystallization annealing. Annealing is carried out in vacuum at a temperature of 1700 ° C for 1 hour. The product manufactured according to this example has the following properties: Vickers hardness: 15-16 GPa, tensile strength in bending: 980-1100 MPa, grain size: 4.5-5 microns, strain rate at T 1600 ° C - 10 -3 s -1 .
Изделия, полученные по разработанной технологии, обладают высокими механическими свойствами вплоть до температуры 1750°С.Products obtained by the developed technology have high mechanical properties up to a temperature of 1750 ° C.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005131644/03A RU2304566C2 (en) | 2005-10-12 | 2005-10-12 | Method of manufacture of ceramic articles |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005131644/03A RU2304566C2 (en) | 2005-10-12 | 2005-10-12 | Method of manufacture of ceramic articles |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005131644A RU2005131644A (en) | 2007-04-20 |
| RU2304566C2 true RU2304566C2 (en) | 2007-08-20 |
Family
ID=38036652
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005131644/03A RU2304566C2 (en) | 2005-10-12 | 2005-10-12 | Method of manufacture of ceramic articles |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2304566C2 (en) |
-
2005
- 2005-10-12 RU RU2005131644/03A patent/RU2304566C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| БАРИНОВ С.М. и др. Влияние горячего изостатического прессования на механические свойства алюмооксидной керамики, трансформационно-упрочненной ZrO 2 . - Огнеупоры и техническая керамика, 1997, №2, с.6-8. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005131644A (en) | 2007-04-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110002879B (en) | Compact and superhard high-entropy boride ceramic and preparation method and application thereof | |
| US5122317A (en) | Method of superplastically deforming zirconia materials | |
| JP5444387B2 (en) | Semiconductor device heat sink | |
| US20090011266A1 (en) | Intermetallic Composite Formation and Fabrication from Nitride-Metal Reactions | |
| JP5930317B2 (en) | Fabrication method of high strength toughness ZrO2-Al2O3 solid solution ceramics | |
| US5342564A (en) | Rapid sintering method for producing alumina-titanium carbide composites | |
| Luo et al. | Low-temperature densification by plasma activated sintering of Mg2Si-added Si3N4 | |
| Zhang et al. | Vacuum induction melting of TiNi alloys using BaZrO3 crucibles | |
| US5391339A (en) | Continuous process for producing alumina-titanium carbide composites | |
| JP5458552B2 (en) | Highly tough and translucent colored alumina sintered body, method for producing the same, and use | |
| US7833922B2 (en) | Method of forming aluminum oxynitride material and bodies formed by such methods | |
| CN112830792A (en) | High-hardness hafnium-based ternary solid solution boride ceramic and preparation method and application thereof | |
| RU2304566C2 (en) | Method of manufacture of ceramic articles | |
| JP5458553B2 (en) | Highly tough and translucent colored alumina sintered body, method for producing the same, and use | |
| JP4820840B2 (en) | Method for producing wear-resistant member made of silicon nitride | |
| JP5403851B2 (en) | Method for producing sintered zirconium silicate | |
| KR101017928B1 (en) | Titanium diboride sintered body with metal as asintering aid and method for manufacture thereof | |
| KR100875303B1 (en) | Manufacturing Method of Reinforced Platinum Using Discharge Plasma Sintering | |
| JP2005516116A (en) | Stretched material by refractory metal powder metallurgy with stabilized grain size | |
| RU2760814C1 (en) | Ceramic flame-retardant material, crucible, and method for manufacturing a crucible | |
| RU2286316C2 (en) | Method of manufacture of the strong ceramics | |
| Béclin et al. | Development of microstructure in hot isostatically pressed MgO· Al2O3 spinel | |
| JP7438501B1 (en) | Alumina-zirconia mixed material and its manufacturing method | |
| CN118146006A (en) | Whisker oriented toughened white silicon nitride ceramic and preparation method thereof | |
| JPS61174169A (en) | Manufacture of high strength partially stabilized zirconia sintered body |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191013 |