RU2450998C2 - Способ создания конструкционного керамического материала - Google Patents
Способ создания конструкционного керамического материала Download PDFInfo
- Publication number
- RU2450998C2 RU2450998C2 RU2010117140/03A RU2010117140A RU2450998C2 RU 2450998 C2 RU2450998 C2 RU 2450998C2 RU 2010117140/03 A RU2010117140/03 A RU 2010117140/03A RU 2010117140 A RU2010117140 A RU 2010117140A RU 2450998 C2 RU2450998 C2 RU 2450998C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- charge
- carried out
- grinding
- ceramic material
- Prior art date
Links
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Изобретение относится к получению керамических и композиционных материалов, используемых в высокотемпературном газотурбостроении. Для получения конструкционного керамического материала готовят шихту, включающую следующие компоненты, мол. %: SiC - 53-62, BN - 3-7, Аl - 35-40, при этом в нее вводят расчетное количество алюминия в полном объеме, проводят механическую активацию. Из шихты формуют первичные заготовки, сушат, подвергают вакуумному спеканию и размолу. После вторичной формовки заготовки сушат, спекают в вакууме, азотируют при температуре 1050°С и проводят термообработку при 1400°С. Вакуумное спекание осуществляют при температуре 1150±2°С. Полученный конструкционный керамический материал характеризуется повышенной плотностью и прочностью: выдерживает напряжения на сжатие - не менее 450 МПа, на изгиб - не менее 130 МПа при высоких рабочих температурах материала (не менее 1400°С). Усадка на стадии превращения кермета в керамику - не более 0,5%.
Description
Изобретение относится к получению керамических и композиционных материалов.
Известны способы создания конструкционных керамических материалов, основанных на использовании метода пропитки, например, алюмоборонитридной керамики (АБНК), используемой в газотурбостроении [1]. Недостатком этого способа изготовления ККМ является применение процесса пропитки жидким металлом (алюминием) необожженной пористой заготовки методом окунания в ванну, что приводит к неконтролируемому количеству А1, попадающего в состав заготовки при заполнении ее пор, неравномерному распределению А1 по объему заготовки и, следовательно, неоптимальному процессу реакционного спекания, при котором непрореагировавший (лишний) алюминий расплавляется, выходит на поверхность заготовки и испаряется, что ухудщает свойства ККМ.
Технический результат изобретения - получение у конструкционного керамического материала и изготовленных из него изделий минимальной усадки, высоких допускаемых напряжений на сжатие и изгиб при высоких рабочих температурах, высокой жаростойкости, износостойкости и коррозионной стойкости, обрабатываемости на стадии кермета обычным металлорежущим инструментом и, наконец, приемлемой стоимости керамических изделий (деталей).
Технический результат достигается тем, что в способе создания конструкционного керамического материала, заключающегося в подготовке шихты, формовке первичных заготовок, их сушке и размоле, вторичной формовке заготовок, их сушке, спекании и термообработке, при подготовке шихты, А1 вводят в следующем соотношении компонентов, мол.%:
SiC - 53-62
BN - 3-7
Аl - 35-40,
а после сушки первичные заготовки подвергают вакуумному спеканию.
Технический результат достигается, кроме того, тем, что вторичное спекание заготовок проводят в вакууме.
При содержании в шихте алюминия в количестве, меньшем 35 мол.%, на стадии формирования кермета остается непрореагировавший нитрид бора, который ведет к образованию трещин, увеличению пористости, а следовательно, к уменьшению плотности и прочности материала.
При содержании в шихте алюминия в количестве, большем 40 мол.%, в кермете остается непрореагировавший алюминий, который, окисляясь на воздухе с образованием оксида алюминия, ухудшает высокотемпературные свойства материала.
Вакуумное спекание первичных заготовок позволяет избежать образования в кермете оксидов алюминия, которые ухудшают высокотемпературные свойства материала.
Происходящие в результате предлагаемого способа химические реакции известны -алюмотермия в варианте самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). При осуществлении способа, в частности при вакуумном спекании, в заготовках проходят процессы СВС-синтеза с образованием промежуточных продуктов - нитридов и боридов алюминия.
Данные по составу итоговой керамики основаны на результатах рентгенофазового анализа, который показывает:
- нитрид алюминия в незначительных количествах присутствует только в поверхностных областях итоговой керамики, поэтому он не указан в основном составе;
- в основном составе итоговой керамики присутствует Si. Большая часть кремния сосредоточена во внутренних областях керамики. За счет частичного взаимодействия с кислородом воздуха и окружающими твердыми фазами его поверхность покрыта алюмоборосиликатной пленкой, препятствующей дальнейшему взаимодействию как с азотом, так и с кислородом воздуха на этапе высокотемпературных отжигов. Данная пленка препятствует взаимодействию индивидуального кремния с окружающими его твердыми фазами SiC и Аl2О3, в то же время являясь рентгеноаморфной, она не может быть зарегистрирована методом рентгенофазового анализа.
В результате синтеза итоговая керамика состоит из SiC, Si, Аl2О3 и алюмоборатов.
Сырьем для производства кермета является нитрид бора (BN), карбид кремния (SiC), порошок алюминия (Аl), этиловый спирт (ЭС), уайт-спирит (УС), бензин (Б), натуральный каучук (НК).
Исходные компоненты рассеивают с отбором фракции менее 40 мкм, используемой в дальнейшем для приготовления шихты.
Отсеянные компоненты кермета смешивают в пропорциях: BN 3-7 мол.%, SiC 53-62 мол.%, Аl 35-40 мол.%. Предварительно смешивают BN и SiC и подвергают помолу и механической активации.
Режим помола от 250 до 450 об/мин, 200-320 реверсивных смен продолжительностью по 4-8 мин.
В шихту вносят расчетное количество Аl, а также ЭС из расчета 11 мл на 100 г шихты и подвергают помолу и механической активации в планетарной мельнице. Режим помола от 100 до 120 об/мин, 100-130 реверсивных смен продолжительностью по 4-8 мин.
В полученную шихту вносят связующее и подвергают ее помолу.
Шихту формуют в первичные заготовки в гидравлическом прессе под давлением 30 т/см2.
Сушку проводят вначале на воздухе в течение 24 часов, затем при температуре 120°С в течение 10 часов.
Предварительные заготовки помещают в вакуумную печь, нагревают до 1150°С. Обжиг заготовок проводят в течение 4 часов.
Полученные предварительные заготовки измельчают. Измельченную шихту подвергают помолу и механической активации. Режим помола от 400 до 450 об/мин, 200-320 реверсивных смен продолжительностью по 4-8 мин.
В шихту добавляют связующее и подвергают помолу.
Прессование осуществляют в гидравлическом прессе с усилием 35 т/см2.
Сушку заготовок осуществляют на воздухе, а затем при температуре 50°С.
Окончательную сушку проводят при температуре 120°С.
Заготовки помещают в вакуумную печь, нагревают до 1150°С. Обжиг заготовок проводят в течение 4 часов. Полученные таким образом заготовки деталей из кермета обрабатывают металлорежущим инструментом с целью получения конструкционных деталей.
Просушенные детали подвергают обжигу до температуры 1400°С с азотированием.
Охлаждение
Способ осуществляют следующим образом:
- Подготовка сырья
Квалификации исходных компонентов должны быть не хуже, чем:
- нитрид бора (BN) должен соответствовать марке ГМ (ТУ 2-036-1045-88);
- карбид кремния (SiC) должен соответствовать марке СЧ (ТУ 2471-002-23231103-97);
- порошок алюминия (Аl) должен соответствовать марке ПА-4 (ГОСТ 6058-73);
- этиловый спирт ректифицированный должен соответствовать марке ч.д.а. (ТУ 2632- 015-11291058-95);
- уайт-спирит должен соответствовать марке С4 155-200;
- бензин должен соответствовать марке БР-1 ТУ 38.401-67-108;
- натуральный каучук должен соответствовать марке ТУ 22-718-9604.
Исходные компоненты рассеиваются на ситовом анализаторе, помещенном на вибростенд, с отбором фракции менее 40 мкм, используемой для приготовления шихты.
- Подготовка шихты
Отсеянные компоненты кермета смешивают в пропорциях: BN - 5 мол.%, SiC - 60 мол.%, Аl - 35 мол.%.
Предварительно смешивают BN и SiC и подвергают помолу и механической активации в планетарной мельнице, футерованной агатом, карбидом кремния или корундом, шарами того же материла, что и футеровка.
Режим помола - 380 об/мин, 240 реверсивных смен продолжительностью по 5 мин.
В шихту вносят расчетное количество Аl, а также ЭС из расчета 11 мл на 100 г шихты и подвергают помолу и механической активации в планетарной мельнице, футерованной агатом, карбидом кремния или корундом, шарами того же материала, что и футеровка. Режим помола - 110 об/мин, 110 реверсивных смен продолжительностью по 5 мин.
Связующее готовят растворением 1,1 г НК в 100 мл смеси УС (50 об.%) и Б (50 об.%).
В полученную шихту вносят связующее из расчета 3,5 мл на 100 г шихты и подвергают помолу в планетарной мельнице с агатовой футеровкой агатовыми шарами со скоростью вращения 350 оборотов в минуту с 10 реверсивными сменами по 5 мин.
- Формовка первичных заготовок
Шихту формуют в первичные заготовки цилиндрической формы длиной 5 см и диаметром 3 см в гидравлическом прессе под давлением 30 т/см2.
- Сушка первичных заготовок
Сушку проводят вначале на воздухе в течение 24 часов, затем в сушильном шкафу при температуре 120°С в течение 10 часов.
- Вакуумное спекание предварительных заготовок
Предварительные заготовки помещают в вакуумную печь на приготовленные подложки, разогревают до 300°С, после чего происходит вакуумирование рабочего объема до остаточного давления 10-3 атм. Затем производят нагрев до 1150°С со скоростью 10°С /мин с точностью поддержания температуры ±2°С при заданном разряжении. Обжиг заготовок проводят в течение 4 часов. Затем заготовку охлаждают вместе с печью.
- Размол предварительных заготовок
Полученные предварительные заготовки измельчают и отсеивают на ситовом анализаторе. Дробление происходит до тех пор, пока вся масса заготовки не проходит через сито 200 мкм.
Измельченную шихту подвергают помолу и механической активации в планетарной мономельнице с агатовой футеровкой агатовыми шарами. Режим помола - 450 об/мин, 300 реверсивных смен продолжительностью 5 мин.
В шихту добавляют связующее в расчете 3,5 мл на 100 г шихты и подвергают помолу в планетарной мельнице с агатовой футеровкой агатовыми шарами со скоростью вращения 350 об/мин с 10 реверсивными сменами по 5 мин.
- Формовка заготовок
Навеску прошедшей помол шихты берут в соответствии с конечными геометрическими размерами заготовки из расчета 1,07 г шихты на 1 г кермета с плотностью 2,17 г/см3.
Прессование осуществляют в гидравлическом прессе с усилием 35 т/см2. Осуществляют изостатическую выдержку в течение 40 минут.
- Сушка заготовок
Предварительную сушку заготовок осуществляют на воздухе при температуре 18-25°С в течение 8 часов.
Промежуточную сушку осуществляют в потоке теплого воздуха в вентилируемом сушильном шкафу в течение 5 часов при температуре 50°С.
Окончательную сушку проводят в сушильном шкафу при температуре 120°С в течение 5 часов.
- Вакуумное спекание заготовок
Заготовки помещают в вакуумную печь на приготовленные подложки, разогревают до 300°С, после чего происходит вакуумирование рабочего объема до остаточного давления 10-3 атм. Затем производят нагрев до 1150°С со скоростью 10°С/мин, с точностью поддержания температуры ±2°С при заданном разряжении. Обжиг заготовок проводят в течение 4 часов. Затем заготовку охлаждают вместе с печью.
Полученные таким образом заготовки деталей из кермета обрабатывают металлорежущим инструментом с целью получения конструкционных деталей.
- Сушка деталей
Обработанные детали из кермета обтирают этиловым спиртом и сушат в вентилируемом сушильном шкафу при температуре 50°С в течение 1 часа.
- Высокотемпературный обжиг
Просушенные детали устанавливают на керамические подложки и помещают в печь с хромит-лантановыми нагревателями таким образом, чтобы зазор между деталями был не менее 3 см. Температуру в печи поднимают до 700°С со скоростью 3°С/мин. При достижении этой температуры проводят выдержку в течение 1 часа (предварительный нагрев).
Температуру в печи поднимают до 1050°С со скоростью 3°С/мин. С началом нагревания в печь подают газообразный азот (N2) с избыточным давлением 2 атм. Процесс подачи газа продолжают во время выдержки, которую осуществляют в течение 10 часов (азотирование).
Температуру в печи поднимают до 1250°С со скоростью 3°С/мин. При достижении этой температуры проводят выдержку в течение 10 часов (первый высокотемпературный обжиг).
Температуру в печи поднимают до 1400°С со скоростью 10°С/мин. При достижении этой температуры проводят выдержку в течение 1 часа (второй высокотемпературный обжиг). Охлаждение.
Полученный конструкционный керамический материал характеризуется повышенной плотностью и прочностью:
усадка на стадии превращения кермета в керамику - не более 0,5%;
выдерживает напряжения на сжатие - не менее 450 МПа, на изгиб - не менее 130 МПа при высоких рабочих температурах материала - не менее 1400°С.
Заявляемый конструкционный керамический материал, синтезированный в ООО «Научный Центр «Керамические Двигатели» им. A.M.Бойко» (ООО «Центр Бойко»), состоит из SiC, Si, Аl2О3 и алюмоборатов.
Перечисленные свойства керамического материала и деталей, изготовленных из него, необходимы конструкционным керамическим материалам, используемым в высокотемпературном газотурбостроении. Это обусловлено требованием обеспечения максимально возможной надежности высокотемпературных керамических газовых турбин и турбинных установок.
Источник информации
1. Патент РФ №2193543, МПК С04В 35/582, С04В 41/88.
Claims (1)
- Способ создания конструкционного керамического материала, заключающийся в подготовке шихты, формовке первичных заготовок, их сушке и размоле, вторичной формовке заготовок, их сушке, спекании и термообработке, отличающийся тем, что при подготовке шихты в нее вводят расчетное количество алюминия в полном объеме и проводят ее механическую активацию, спекание заготовок осуществляют в вакууме при температуре 1150±2°С, а термообработку проводят до температуры 1400°С с предшествующим азотированием при температуре 1050°С, а состав шихты готовят в следующем соотношении компонентов, мол.%:
SiC 53-62 BN 3-7 Аl 35-40
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010117140/03A RU2450998C2 (ru) | 2010-04-29 | 2010-04-29 | Способ создания конструкционного керамического материала |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010117140/03A RU2450998C2 (ru) | 2010-04-29 | 2010-04-29 | Способ создания конструкционного керамического материала |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2010117140A RU2010117140A (ru) | 2011-11-10 |
RU2450998C2 true RU2450998C2 (ru) | 2012-05-20 |
Family
ID=44996740
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010117140/03A RU2450998C2 (ru) | 2010-04-29 | 2010-04-29 | Способ создания конструкционного керамического материала |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2450998C2 (ru) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2542073C1 (ru) * | 2013-12-26 | 2015-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Способ получения безусадочного наномодифицированного конструкционного керамического материала |
RU2641683C1 (ru) * | 2016-11-27 | 2018-01-19 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) | Способ получения керамических изделий сложной объемной формы |
RU2700496C1 (ru) * | 2018-08-28 | 2019-09-17 | Общество с ограниченной ответственностью "Инжиниринговый центр "Газотурбинные технологии" | Лопатка газовой турбины гтд-110м |
RU2701025C1 (ru) * | 2018-08-28 | 2019-09-24 | Общество с ограниченной ответственностью "Инжиниринговый центр "Газотурбинные технологии" | Жаровая труба газовой турбины гтд-110м |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU390046A1 (ru) * | 1971-06-11 | 1973-07-11 | Ордена Трудового Красного Знамени институт проблем материаловедени Украинской ССР | Огнеупорный материал |
EP0292579A1 (en) * | 1987-04-30 | 1988-11-30 | Kurosaki Refractories Co. Ltd. | Process for producing silicon carbide sintered products |
RU94041838A (ru) * | 1994-09-13 | 1996-09-20 | Эдванст Композит Материалз Корпорейшн (US) | Способ спекания без давления армированных нитевидными кристаллами композитов из окиси алюминия |
RU2193543C2 (ru) * | 1996-12-27 | 2002-11-27 | Онера (Оффис Насьональ Д'Этюд Э Де Решерш Аэроспасьяль) | Способ изготовления спеченного структурированного керамического изделия из нитрида алюминия |
-
2010
- 2010-04-29 RU RU2010117140/03A patent/RU2450998C2/ru active IP Right Revival
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU390046A1 (ru) * | 1971-06-11 | 1973-07-11 | Ордена Трудового Красного Знамени институт проблем материаловедени Украинской ССР | Огнеупорный материал |
EP0292579A1 (en) * | 1987-04-30 | 1988-11-30 | Kurosaki Refractories Co. Ltd. | Process for producing silicon carbide sintered products |
RU94041838A (ru) * | 1994-09-13 | 1996-09-20 | Эдванст Композит Материалз Корпорейшн (US) | Способ спекания без давления армированных нитевидными кристаллами композитов из окиси алюминия |
RU2193543C2 (ru) * | 1996-12-27 | 2002-11-27 | Онера (Оффис Насьональ Д'Этюд Э Де Решерш Аэроспасьяль) | Способ изготовления спеченного структурированного керамического изделия из нитрида алюминия |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
БАЛКЕВИЧ В.Л. Техническая керамика. - М.: Стройиздат, 1963, с.195-196. * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2542073C1 (ru) * | 2013-12-26 | 2015-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Способ получения безусадочного наномодифицированного конструкционного керамического материала |
RU2641683C1 (ru) * | 2016-11-27 | 2018-01-19 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) | Способ получения керамических изделий сложной объемной формы |
RU2700496C1 (ru) * | 2018-08-28 | 2019-09-17 | Общество с ограниченной ответственностью "Инжиниринговый центр "Газотурбинные технологии" | Лопатка газовой турбины гтд-110м |
RU2701025C1 (ru) * | 2018-08-28 | 2019-09-24 | Общество с ограниченной ответственностью "Инжиниринговый центр "Газотурбинные технологии" | Жаровая труба газовой турбины гтд-110м |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2010117140A (ru) | 2011-11-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100855226B1 (ko) | 질화규소질 소결체 및 그 제조방법, 및 그것을 사용한내용융 금속용 부재, 내마모용 부재 | |
Wu et al. | Synthesis and microstructural features of ZrB2–SiC-based composites by reactive spark plasma sintering and reactive hot pressing | |
CN101456737B (zh) | 一种碳化硼基复合陶瓷及其制备方法 | |
JP5527937B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体 | |
JPWO2006057232A1 (ja) | 窒化珪素質焼結体およびその製造方法、並びに金属溶湯用部材、熱間加工用部材、掘削用部材 | |
RU2450998C2 (ru) | Способ создания конструкционного керамического материала | |
CN112500178B (zh) | 一种原位生成ZrB2-SiC增韧PcBN刀具及其制备方法 | |
EP2636659B1 (en) | High rigidity ceramic material and method for producing same | |
Tan et al. | Effects of heat treatment on phase contents and mechanical properties of infiltrated B4C/2024Al composites | |
He et al. | In situ synthesis and mechanical properties of bulk Ti3SiC2/TiC composites by SHS/PHIP | |
CN102093058A (zh) | 一种α-SiAlON/BN 复合陶瓷材料及其制备方法 | |
US6322608B1 (en) | Method for producing a component from a composite Al2O3/titanium aluminide material | |
Mitomo et al. | Influence of powder characteristics on gas pressure sintering of Si 3 N 4 | |
Lee et al. | Chemical composition and microstructure of Al3BC3 prepared by different densification methods | |
RU2399601C2 (ru) | Способ получения безусадочного конструкционного керамического изделия | |
CN101955357B (zh) | 可加工复相陶瓷材料及其制备方法和二次硬化热处理方法 | |
Tan et al. | Effect of TiO2 on sinterability and physical properties of pressureless sintered Ti3AlC2 ceramics | |
Attia et al. | Hot Pressed Si 3 N 4 Ceramics Using MgO–Al 2 O 3 as Sintering Additive for Vehicle Engine Parts | |
Xie et al. | Detailed electrical and mechanical retention characteristics of MoSi2–RSiC composites exhibiting three-dimensional (3D) interpenetrated network structure during long-term high-temperature oxidation process | |
CN101328059B (zh) | 可加工复相陶瓷材料及其制备方法和二次硬化热处理方法 | |
RU2542073C1 (ru) | Способ получения безусадочного наномодифицированного конструкционного керамического материала | |
JP5224293B2 (ja) | 反応焼結基窒化ケイ素セラミックス及びその製造方法 | |
JP2000247748A (ja) | 高靭性窒化珪素質焼結体 | |
CN101956115A (zh) | 可加工复相陶瓷材料及其制备方法和二次硬化热处理方法 | |
RU2812539C1 (ru) | Способ изготовления композиционной керамики карбид бора - диборид циркония |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TC4A | Change in inventorship |
Effective date: 20131213 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130430 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20160520 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170430 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20180503 |
|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20201111 |